JP5267031B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車等の車両に搭載される電動パワーステアリング装置に関し、特に、その装置内でステアリングホイールのターン数を検出する際の機能に関する。

自動車における一般的若しくは典型的な操舵系は、ステアリングホイールの回転操作に基づくステアリング軸及びピニオン軸の回転を、ラックアンドピニオンによって、ラック軸を含む舵取機構の直線的な動作に変え、これにより、転舵輪（通常は前輪）に所望の舵角を付与するように構成されている。
また、電動パワーステアリング装置では、運転者が付与する操舵トルクに応じた操舵補助力を、モータから減速機を介して発生させ、舵取機構に付加する。ここで、操舵トルクは、トルクセンサによって検出される。トルクセンサは、ステアリング軸からトーションバーを介してピニオン軸を回転させるときの、トーションバーの捻れ量すなわち、入力側と出力側との回転角の相対差を検出する。

一方、操舵トルクとは別に、ステアリングホイールの絶対舵角を検出することにより、操舵トルクに絶対舵角を加味した高度な操舵補助力の増減制御を行うことができる。また、絶対舵角の情報は、電動パワーステアリング装置以外の装置（例えば、ＡＢＳ（Antilock Brake System）装置における制動力の配分制御）にも必要である。そこで、ピニオン軸の回転角（軸角）を検出するための軸角センサが設けられている。

一般に、ステアリングホイールは、左右の操舵限界位置の間で、４〜５回転する。従って、ピニオン軸も等量回転する。このような全回転範囲で連続して絶対舵角を検出するのは、センサの構成上、経済的ではない。そこで、実際には、レゾルバ等の、３６０度の範囲内で角度検出が可能なセンサが使用される。このようなセンサの出力を受け取る制御部は、原点から見て今何回転目かというターン数を把握する必要がある。そして、このターン数と現在のセンサ出力値とに基づいて、全回転範囲内の任意の絶対舵角を検出することができる。何を原点とするかについては、例えば走行中であれば、直進走行状態にあるとき、絶対舵角０の原点にあると把握すればよい。しかし、駐車状態の車両を始動させるにあたってイグニッションキーをオンにした直後は、原点もターン数もわからず、従って、絶対舵角が不明である。

そこで、軸角センサの他に、モータの角度位置を検出するためのモータ角センサを設け、両センサの出力の組み合わせから絶対舵角を検出する構成が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。これは、機械的に互いに連動性があるピニオン軸とモータについて、モータの回転周期に対してピニオン軸の回転周期が整数倍ではない所定の比となるように、減速機による減速比を設定することにより、全回転範囲の絶対舵角に対して両センサ出力値の同じ値の組み合わせが２度出現することのないように構成したものである。このような構成により、軸角センサの出力値と、モータ角センサの出力値との組み合わせから、ターン数及び唯一の絶対舵角を検出することができる。

特開２０００−２９６７８１号公報

上記のように軸角センサの出力値とモータ角センサの出力値との組み合わせから絶対舵角を正確に検出するには、両センサの出力の相互関係が一定不変であることが前提的に必要となる。ところが、モータとピニオン軸とを互いにつなぐ機械的部位に、捻れ、がたつき、温度変化による伸縮等があると、上記の相互関係が僅かに変化する。その結果、両センサの出力値の組み合わせがずれて、誤ったターン数（通常、１ターンずれた値）及びこれに基づく誤った絶対舵角を検出する場合がある。その結果、絶対舵角に基づく操舵補助力の制御等を適切に実行することはできない。
かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、ターン数の誤判定を防止する電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

本発明は、ステアリングホイールの回転操作、及び、当該回転操作に基づいてモータにより生じさせた操舵補助力を、舵取機構に伝える電動パワーステアリング装置であって、前記回転操作を前記舵取機構に伝える軸の回転角に応じた信号を出力する軸角センサと、前記モータの回転角に応じた信号を出力するモータ角センサと、前記軸角センサの出力及び前記モータ角センサの出力の双方に基づいて前記ステアリングホイールのターン数を求めることができる制御部とを備え、
前記制御部は、前記ターン数を求める必要がある場合、前記軸角センサの出力を絶対角度としてのモータ角に換算した角度の値を３６０で割った剰余を、モータ角換算の前記軸の回転角とし、当該回転角と前記モータ角センサの出力であるモータ角との相互の角度誤差を検出し、当該角度誤差が所定の許容範囲内に収まっているときはターン数を決定し、それ以外のときはターン数を決定することを回避することを特徴とするものである。

上記のように構成された電動パワーステアリング装置において制御部は、ターン数を求める必要があるときでも、角度誤差が許容範囲内に収まらない場合にはターン数を決定することを回避する。なお、その後、角度誤差が所定の許容範囲内に収まれば、制御部は、ターン数を決定することができる。

また、上記電動パワーステアリング装置において、許容範囲内とは、軸の１回転に対するモータの回転角のずれ量の半分より小さい値の範囲内であることが好ましい。
この場合、真のターン数より「１」ずれたターン数に誤って決定することを、確実に防止することができる。

また、上記電動パワーステアリング装置において、舵取機構の周辺温度を検出する温度センサを設けた場合には、制御部は、温度センサの検出した温度に基づいて、軸角センサ及びモータ各センサの少なくとも一方の出力に温度補正を行った後に角度誤差を検出するようにしてもよい。
この場合、もし温度補正が不足又は過多の状態であった場合において角度誤差が許容範囲内に収まらない場合には、制御部はターン数を決定することを回避する。従って、不適切な温度補正に起因するターン数の誤判定を防止することができる。

本発明の電動パワーステアリング装置によれば、ターン数を求める必要があるときでも、角度誤差が許容範囲内に収まらない場合にはターン数を決定することを回避するので、ターン数の誤判定を防止することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の概略構成を示す図である。図において、ステアリングホイール１は、ステアリング軸２と接続されている。ステアリング軸２は、トーションバー３を介して、ピニオン軸４と接続されている。ピニオン軸４の下端に形成されたピニオン（図示せず。）は、ラックハウジング５内でラック軸６に形成されたラック（図示せず。）と噛み合い、これにより、ラックアンドピニオン式の舵取機構７が構成されている。ラック軸６の両端にはそれぞれ、タイロッド８を介して転舵輪９（通常は前輪）が接続されている。ピニオン軸４が軸周りに回転すると、ラック軸６は軸方向（図の横方向）に直線的に移動し、タイロッド８を介して、転舵輪９に舵角が付与される。

一方、運転者が、ステアリングホイール１の回転操作をするときの操舵トルクは、トーションバー３の捻れ量となる。この捻れ量は、トーションバー３に対する入力側と出力側との回転角の相対差として、トルクセンサ１０により検出される。また、ピニオン軸４の回転角（軸角）に応じた信号が、軸角センサ１１から出力される。トルクセンサ１０の出力及び軸角センサ１１の出力は、制御部としてのＥＣＵ（電子制御ユニット）１２に送られる。ラックハウジング５にはモータ１３が取り付けられ、その回転駆動力により、図示しないウオームやボールねじによって構成される減速機１４を介して、ラック軸６に操舵補助力を付与する構成となっている。モータ１３は、ＥＣＵ１２によって駆動される。モータ角センサ１５は、モータ１３の回転角に応じた信号を出力するものであり、その出力はＥＣＵ１２に送られる。

上記軸角センサ１１は、例えばレゾルバであり、対象物であるピニオン軸４の１回転（３６０度）に対して例えば１周期で、リニアに変化する出力特性を有する。
なお、軸角センサは、ステアリングホイール１の回転操作を舵取機構７に伝える軸を対象物とすればよいので、ステアリング軸２に対して設けることも可能である。また、トルクセンサ１０は２つの角センサで構成されているので、その一方を軸角センサとして兼用することも可能である。

モータ角センサ１５も同様に、例えばレゾルバであり、対象物であるモータ１３（正確にはロータ）の１回転（３６０度）に対して例えば１周期で、リニアに変化する出力特性を有する。なお、ブラシレスモータの場合には元々、駆動用の回転角センサが内蔵されているので、これをモータ角センサとして兼用することも可能である。
ＥＣＵ１２は、各センサ１０，１１，１５の出力信号に基づいて、センサ機能の異常の有無も監視している。また、ＥＣＵ１２は、図示しないバッテリの電圧や、車速を監視する機能も有する。

上記のように構成された電動パワーステアリング装置において、運転者によりステアリングホイール１の回転操作が行われると、この回転操作は、ステアリング軸２、トーションバー３、ピニオン軸４を介して舵取機構７に伝えられる。また、当該回転操作の操舵トルクの他、ステアリングホイール１の絶対舵角（詳細後述）や、車速等の情報に基づいて、ＥＣＵ１２は、必要な操舵補助力を発生させるべく、モータ１３を駆動する。これにより、操舵のアシストが適切に行われる。

次に、ステアリングホイール１のターン数とモータ１３の回転角との関係について、図２を参照して説明する。なお、ステアリングホイール１のターン数は、ピニオン軸４のターン数と実質的に同じである。
図２の（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、左側の半径の大きな円がステアリングホイールを表しており、右側の半径の小さな円がモータ１３の回転角を表している。中央の（ｂ）に示す状態においてステアリングホイールのターン数Ｎ＝０、モータの回転角が０度とする。この状態からステアリングホイールを時計回り方向に１回転すると（ａ）の状態（ターン数Ｎ＝１）となる。ここで、モータの回転角は１０８度となっている。これは、舵取機構７に対するモータ１３の減速比が整数ではないことに基づいている。

具体的には、減速比は例えば２７．３であり、ピニオン軸４の１回転に対してモータ１３は２７．３回転する。すなわち、図２の（ｂ）の状態からステアリングホイールを時計回り方向へ１回転する間に、モータは（２７＋０．３）回転するので、０．３回転に相当する角度１０８度（＝３６０度×０．３）のずれが生じて（ａ）に示す状態となる。同様に、（ｂ）の状態からステアリングホイールを反時計回り方向に１回転すると、−１０８度のずれが生じて、（ｃ）に示すように、ターン数Ｎ＝−１で、モータの回転角は２５２度（３６０度−１０８度）となる。また、（ｃ）の状態からさらに、ステアリングホイールを反時計回り方向に１回転すると、（ｂ）の状態から見て−２１６度のずれが生じて、（ｄ）に示すように、ターン数Ｎ＝−２で、モータの回転角は１４４度（３６０度−２１６度）となる。

図３は、軸角センサ１１の出力（１周期）と、モータ角センサ１５の出力（２７．３周期）とを１つのグラフに重ねて示した波形図である。横軸は、ステアリングホイール１（ピニオン軸４）の絶対舵角を示し、縦軸は各センサ１１，１５の出力を、３６０度までの角度に置き換えたものである。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ、図２の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に対応している。すなわち、（ａ）は、ターン数Ｎ＝１における各センサの出力、（ｂ）は、ターン数Ｎ＝０における各センサの出力、（ｃ）は、ターン数Ｎ＝−１における各センサの出力、（ｄ）は、ターン数Ｎ＝−２における各センサの出力を、それぞれ示している。

（ｂ）の状態（ターン数Ｎ＝０）では、ピニオン軸の回転角（以下、ピニオン角という。）が０のときモータ角も０である。（ａ）の状態（ターン数Ｎ＝１）では、ピニオン角が０のときモータ角は１０８度である。（ｃ）の状態（ターン数Ｎ＝−１）では、ピニオン角が０のときモータ角は２５２度である。（ｄ）の状態では、ピニオン角が０のときモータ角は１４４度である。
このように、あるピニオン角に対するモータ角は、ターン数によって回転角のずれが異なるので、値が異なる。言い換えれば、ピニオン角とモータ角とがわかれば、それが４種類のターン数のうち、どのターン数の波形上の値であるかが判明する。従って、３６０度の範囲内でしか検出し得ないセンサを用いていても、モータ角とピニオン角とがわかれば、ターン数を求めることができる。

ターン数を正確に求めるには、軸角センサ１１及びモータ角センサ１５に異常が無いことの他、モータ１３とピニオン軸４とを互いにつなぐ機械的部位に、捻れ、がたつき、温度変化による伸縮等が無いことが必要である。しかしながら、現実には、これらに起因してセンサ出力に理論値（図３）との誤差が発生する。ここで、４種類のターン数Ｎにおける、Ｎ＝１とＮ＝０との間、Ｎ＝０とＮ＝−１との間、Ｎ＝−１とＮ＝−２との間には、それぞれ、モータ角に１０８度の角度のずれがある。従って、モータ角換算で１０８度の１／２である５４度を超える角度誤差があると、真のターン数よりも隣のターン数の波形図上の値に近づき、誤った判定をする原因となる。例えば実際はＮ＝０であるのにＮ＝１若しくはＮ＝−１と誤判定する。すなわち、ターン数が「１」ずれた誤判定をすることになる。

次に、ターン数の決定に関するＥＣＵ１２の処理について、図４のフローチャートを参照して説明する。このフローチャートの処理は、ＥＣＵ１２によって、必要な場合に実行される。必要な場合とは、例えば、駐車状態からイグニッションキーをオン操作して走行を開始する場合のように、現在のターン数が不明な場合である。
図において、ＥＣＵ１２は、まず、所定の条件が満たされているかを判定する（ステップＳ１）。所定の条件とは、例えば、バッテリ電圧が正常であること、各センサ１０，１１，１５が正常であること、等である。ここで所定の条件が満たされていない場合には、処理は終了となる。

次に、ＥＣＵ１２は、ピニオン角及びモータ角をそれぞれ、軸角センサ１１及びモータ角センサ１５の出力に基づいて検出する（ステップＳ２）。そして、ＥＣＵ１２は、ピニオン角をモータ角のレートに換算して、モータ角との比較を行う（ステップＳ３）。具体的には、前述の減速比２７．３の場合、ピニオン角をθｐ（３６０度未満）、モータ角をθｍ（３６０度未満）として、絶対角度としてのモータ角に換算したピニオン角は、
（θｐ＋Ｎ×３６０）×２７．３
である。

すなわち、軸角センサ１１によって検出されたピニオン角を、４種類のターン数を想定した絶対角度のモータ角に置き換えると、
ターン数Ｎ＝−２のときは、（θｐ＋（−２）×３６０）×２７．３
ターン数Ｎ＝−１のときは、（θｐ＋（−１）×３６０）×２７．３
ターン数Ｎ＝０のときは、 θｐ×２７．３
ターン数Ｎ＝１のときは、 （θｐ＋３６０）×２７．３
となる。

これらの値はそれぞれ、３６０未満であればそのままの値がモータ角換算のピニオン角θｐ’となり、３６０以上であれば、３６０で割った剰余が、モータ角換算のピニオン角θｐ’となる。そして、ＥＣＵ１２は、角度誤差として、ターン数に対応した４つの
|θｍ−θｐ’|
を算出する。ここでＥＣＵ１２は、４つの角度誤差のうちの最小値に対応するターン数が、求めるべきターン数であると判定する。言い換えれば、これは、検出されたピニオン角とモータ角との関係若しくは組み合わせが、図３の（ａ）〜（ｄ）のどの波形図上の値に最も近似するか、を定めることである。各センサが理論値どおりの角度を検出すれば、各センサ出力の値は、いずれか１つの波形図上の値と一致し、最小の角度誤差は０となる。

次に、ＥＣＵ１２は、上記角度誤差（最小値）が、所定値以下すなわち許容範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ４）。所定値とは、前述の５４度より小さい値であることが必要であるが、ある程度厳しく正確な判定のために、例えば４５度が好ましい。そこで、ＥＣＵ１２は、最小の角度誤差が４５度以下であれば、その角度誤差に対応したターン数に決定し（ステップＳ５）、４５度より大きい場合にはターン数の決定を回避して、処理を終える（ステップＳ４のＮＯ）。この「回避」により、ターン数の誤判定を確実に防止することができる。なお、ここでターン数の決定を回避すれば、ターン数が決定されるのは、次に図４のフローチャートの処理が実行される時若しくはそれ以降となる。但し、機械的部位の捻れやがたつきは、少しでもステアリングホイールを動かすことにより解消される場合が多いので、解消されれば角度誤差は所定値以下となり、ターン数の決定が行われる。

以上のように、本実施形態の電動パワーステアリング装置によれば、制御部としてのＥＣＵ１２は、ターン数を求める必要があるときでも、角度誤差が許容範囲内に収まらない場合にはターン数を決定することを回避する。従って、ターン数の誤判定を防止することができる。
なお、ターン数の決定を回避したとき、そのことを、ＥＣＵ１２から運転者に知らせる表示等（表示灯の点灯や音声によるアナウンス）を行うようにしてもよい。この表示等によって運転者がステアリングホイールを操作すれば、多くの場合、捻れやがたつきは解消され、次に図４の処理を実行することによってターン数の決定を行うことができる。

図５は、本発明の他の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の概略構成を示す図である。図１との違いは、舵取機構７の周辺温度を検出する温度センサ１６を設け、その出力をＥＣＵ１２に取り込むことができるようにした点であり、その他の構成は図１と同一である。この場合、ＥＣＵ１２は、温度センサ１６の検出した温度に基づいて、温度補正を行いつつ、角度誤差を検出する。温度補正は、例えば検出されたモータ角及びピニオン角の一方若しくは両方に対して行うことができるが、比較的周期の長いピニオン角の出力に対して行う方が容易である。

図６は、軸角センサ１１の出力すなわちピニオン角が、温度変化によってずれる状態を示したグラフである。基準となる温度において実線で示す出力は、温度の変化による機械的部位の伸縮の影響を受けると、ずれが生じて、例えば二点鎖線で示す出力となる。従って、温度の変化に関わらずピニオン角とモータ角との間での一定の減速比の関係を維持するためには、温度補正が必要である。そこで、予め、想定される温度に対応してピニオン角がどの程度ずれるかのデータを用意しておき、温度変化に対応して、実際に検出された出力を補正する。

図７は、本実施形態における、ターン数の決定に関するＥＣＵ１２の処理についてのフローチャートである。図４との違いは、ピニオン角の補正のためのステップＳ２Ａを設けた点であり、その他のステップの処理は図４と同一である。
この場合、角度誤差の演算や、ターン数の決定は、温度補正後のピニオン角に基づいて行われる。従って、もし、温度補正が不足又は過多の状態であった場合において角度誤差が許容範囲内に収まらない場合には、ＥＣＵ１２は、ターン数を決定することを回避する。従って、不適切な温度補正に起因するターン数の誤判定を防止することができる。

なお、上記各実施形態はラックアンドピニオン式のステアリング装置を示したが、ボールナット式のステアリング装置の場合でも同様に、軸角センサ及びモータ角センサの各出力に基づいて、ターン数の決定又はその回避を行うことができる。

本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の概略構成を示す図である。 ステアリングホイールのターン数とモータの回転角との関係を示す図である。 軸角センサの出力（１周期）と、モータ角センサの出力（２７．３周期）とを１つのグラフに重ねて示した波形図である。 ターン数の決定に関するＥＣＵの処理を示すフローチャートである。 本発明の他の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の概略構成を示す図である。 軸角センサの出力すなわちピニオン角が、温度変化によってずれる状態を示したグラフである。 他の実施形態における、ターン数の決定に関するＥＣＵの処理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
４ ピニオン軸
７ 舵取機構
１１ 軸角センサ
１２ ＥＣＵ（制御部）
１３ モータ
１５ モータ角センサ

Claims (3)

1. ステアリングホイールの回転操作、及び、当該回転操作に基づいてモータにより生じさせた操舵補助力を、舵取機構に伝える電動パワーステアリング装置であって、
   前記回転操作を前記舵取機構に伝える軸の回転角に応じた信号を出力する軸角センサと、
   前記モータの回転角に応じた信号を出力するモータ角センサと、
   前記軸角センサの出力及び前記モータ角センサの出力の双方に基づいて前記ステアリングホイールのターン数を求めることができる制御部とを備え、
   前記制御部は、前記ターン数を求める必要がある場合、前記軸角センサの出力を絶対角度としてのモータ角に換算した角度の値を３６０で割った剰余を、モータ角換算の前記軸の回転角とし、当該回転角と前記モータ角センサの出力であるモータ角との相互の角度誤差を検出し、当該角度誤差が所定の許容範囲内に収まっているときはターン数を決定し、それ以外のときはターン数を決定することを回避することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記許容範囲内とは、前記軸の１回転に対する前記モータの回転角のずれ量の半分より小さい値の範囲内である請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記舵取機構の周辺温度を検出する温度センサを備え、
   前記制御部は、前記温度センサの検出した温度に基づいて、前記軸角センサ及びモータ各センサの少なくとも一方の出力に温度補正を行った後に前記角度誤差を検出する請求項１記載の電動パワーステアリング装置。

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