JP5417300B2

JP5417300B2 - 電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP5417300B2
Application number: JP2010251694A
Authority: JP
Inventors: 謙一瀧下
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2010-11-10
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2030-11-10
Also published as: JP2012101674A

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は、操舵軸（ステアリングシャフト）に加わる操舵トルクをトルクセンサによって検出し、操舵トルクに応じた操舵補助力を電動モータによって操舵軸に付与する。そのため、トルクセンサが失陥すると、操舵補助力の設定ができなくなる。この問題に対して、ステアリングシャフトに組み込まれたトーションバーのねじれ角と、トーションバーのばね定数に基づいて操舵トルクを推定し、推定した操舵トルクに応じて電動モータの駆動を制御するものがある（例えば、特許文献１）。特許文献１に係る発明では、トーションバーの一端側に設けられた操舵角センサの検出値と、トーションバーの他端側に設けられた電動モータのモータ回転角センサの検出値とに基づいてトーションバーのねじれ角を算出している。

特開２００５−２１９５７３号公報

しかしながら、操舵角センサはモータ回転角センサに比べて分解能（検出感度）が低いことが多く、操舵角センサの検出値に基づく値とモータ回転角センサの検出値に基づく値との差分をとると、実際には差分が存在しない場合にも、モータ回転角センサでは検出可能であるが操舵角センサでは検出不能な微小な値が差分として含まれることになる。そのため、操舵角センサの検出値に基づいた値とモータ回転角センサの検出値に基づいた値との差分に基づいて操舵トルクを推定し、この操舵トルクに応じて操舵アシスト力を設定すると、操舵アシスト力が過剰或いは不足となる部分が発生するおそれがある。

本発明は、以上の背景を鑑みてなされたものであって、操舵角センサの検出値とモータ回転角センサの検出値に基づく値との差分を用いて操舵トルクを推定する電動ステアリング装置において、操舵トルクを精度良く推定し、適切な操舵アシスト力を設定することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、ステアリングホイール２に連結された操舵軸３と、前記操舵軸の回転に応じてタイヤ４を転舵する連結機構５と、前記操舵軸に接続された電動モータ１３と、前記操舵軸に作用する操舵トルクに応じて前記電動モータを駆動する制御手段１９とを有する電動パワーステアリング装置１であって、操舵角を所定周期毎に検出する操舵角検出手段１５と、前記電動モータのモータ回転角を所定周期毎に検出するモータ回転角検出手段１４と、前記モータ回転角に基づいて算出した前記操舵軸の前記電動モータが接続された部分の回転角と前記操舵角との差に基づいて前記操舵トルクを推定する操舵トルク推定手段３２とを有し、前記操舵トルク推定手段は、前記操舵角検出手段が任意の時間に検出した今回操舵角と前記今回操舵角を検出した時の１周期前に検出した前回操舵角とが等しい場合には、前記モータ回転角に基づいて前記今回操舵角を補正することを特徴とする。

この構成によれば、操舵角センサが検出不能な微小な回転変位が操舵軸に生じたときに、モータ回転角センサの検出値に基づいて操舵角センサの検出値を補正し、操舵トルクの推定精度を高めることができる。

本発明の他の側面は、前記操舵トルク推定手段は、前記今回操舵角と前記前回操舵角とが相違する場合には、前記今回操舵角を検出したときの前記モータ回転角を基準モータ回転角とし、前記今回操舵角を検出したときより後に検出する第ｎ操舵角が前記今回操舵角を検出したときから連続して前記今回操舵角と等しい場合には、前記第ｎ操舵角を検出したときに検出した第ｎモータ回転角と前記基準モータ回転角との差を前記第ｎ操舵角に加算することを特徴とする。

この構成によれば、簡単な方法で操舵角センサの検出値を補正することができる。

本発明の他の側面は、前記操舵トルクの方向と前記操舵角に基づく操舵角速度の方向とを比較し、前記操舵トルクと前記操舵角速度との方向が同一である場合を往き状態と判定し、前記操舵トルクと前記操舵角速度との方向が相反する場合を戻り状態と判定する操舵状態検出手段３６を有し、前記制御手段は、前記往き状態の場合には、前記操舵トルクに基づいて算出した基本アシスト量に、前記操舵角速度に基づいて算出したダンパ量を減算し、前記戻り状態の場合には、前記基本アシスト量に前記ダンパ量を加算することを特徴とする。また、操舵トルクの方向と操舵角速度の方向とを比較に代えて、操舵トルクの方向とモータ回転角に基づくモータ回転角速度の方向とを比較によって、往き状態と戻り状態とを判定するようにしてもよい。

この構成によれば、操舵状態に応じたダンパ量を操舵アシスト力に加味し、操舵感を向上させることができる。

以上のように構成することによって、操舵角センサおよびモータ回転角センサの検出値に基づく値の差分を用いて操舵トルクを推定する電動ステアリング装置において、操舵トルクを精度良く推定し、適切な操舵アシスト力を設定することができる。

実施形態に係るパワーステアリング装置を示す概略説明図実施形態に係るパワーステアリング装置の制御装置を示すブロック図操舵角速度および操舵トルクと操舵状態との関係を示す図制御装置による目標電流の設定手順を示すフロー図操舵トルク推定部による推定操舵トルクの演算手順を示すフロー図補正操舵角θｓ´を示すグラフ実施形態に係るパワーステアリング装置の操舵トルクを示すグラフ

以下、図面を参照して、本発明を車両のラック・アンド・ピニオン式のパワーステアリング装置に適用した一実施形態について詳細に説明する。

＜ステアリング装置の概略構成＞
図１に示すように、パワーステアリング装置１は、ステアリングホイール２に連結された操舵軸（ステアリングシャフト）３と、操舵軸３と左右の前輪４とを連結するラック・アンド・ピニオン式の連結機構５とを備えている。操舵軸３は、適所に自在継手６を備えており、ステアリングホイール２側と相反する側の端部に連結機構５を構成するピニオン７が一体的に連結されている。連結機構５は、ピニオン７に噛合して車幅方向に往復動可能に設けられたラック軸８と、ラック軸８の両端に連結されるともに、左右前輪４のナックル９に連結されたタイロッド１０とを備えている。これにより、ステアリングホイール２の手動回転操作に応じて左右の前輪４が転舵されるようになっている。

操舵軸３には、減速機１２を介して電動モータ１３が連結されている。電動モータ１３は減速機１２を介して操舵補助力としての駆動力を操舵軸３に加える。減速機１２は、電動モータ１３の出力軸に連結されたウォーム（図示しない）と操舵軸３に連結されるとともにウォームに噛み合うウォームホイール（図示しない）とを備えており、減速比がＤなっている。電動モータ１３には、モータ回転角度を検出するためのモータ回転角センサ１４が設けられている。モータ回転角センサ１４は、公知のロータリエンコーダやレゾルバであってよい。

操舵軸３のステアリングホイール２側の部分に操舵角センサ１５が設けられ、操舵角センサ１５と減速機１２との間の部分にトルクセンサ１６が設けられている。操舵角センサ１５は、ステアリングホイール２の回転角に対応した操舵角を検出するセンサであって、公知のロータリエンコーダやレゾルバ、ポテンショメータであってよい。トルクセンサ１６は、操舵軸３に加わる操舵トルク（運転者がステアリングホイール２を介して操舵軸３に加えるトルク）を検出するセンサであって、公知のトーションバー式トルクセンサや磁歪式トルクセンサであってよい。トーションバー式トルクセンサを用いる場合には、操舵軸３を２分し、トルクセンサ１６を構成するトーションバーによって２つの操舵軸３を連結する必要がある。

電動モータ１３は、制御装置（ＥＣＵ：電気制御ユニット）１７によって、駆動制御されている。図２に示すように、制御装置１７は、ＣＰＵや、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備え、ＲＯＭに記憶されたプログラムを実行する制御部１８と、制御部１８が各センサが検出した検出値に基づいて演算したモータ制御信号（ＰＷＭ制御信号）に基づいて電動モータ１３をＰＷＭ制御するための駆動回路２０とを備えている。駆動回路２０は、スイッチング素子のブリッジ回路であり、モータ制御信号に対応したモータ電圧を発生し、操舵トルクに対応したモータ電流Ｉを流して電動モータ１３を駆動する。制御部１８には、操舵角センサ１５からの操舵角θｓと、トルクセンサ１６からのセンサ操舵トルクＴｓと、モータ回転角センサ１４からのモータ回転角θｍと、車両の適所に設けられた車速センサ２１からの車速Ｖとが入力されている。

図２に示すように、制御部１８は、トルクセンサ異常検出部３１、操舵トルク推定部３２、トルク信号切替部３３、操舵角速度算出部３４、ベース目標電流設定部３５、操舵状態判定部３６、ダンピング補償電流設定部３７、目標電流設定部３８、モータ制御部３９を備えている。

トルクセンサ異常検出部３１は、操舵角センサ１５からの操舵角θｓとトルクセンサ１６からのセンサ操舵トルクＴｓとに基づいて、トルクセンサ１６の状態を正常または故障と判定し、判定結果を故障判定信号Ｓｓとしてトルク信号切替部３３に出力する。トルクセンサ異常検出部３１は、例えば、操舵角θｓが供給されているにも拘わらずセンサ操舵トルクＴｓが供給されていない場合（Ｔｓ＝０）にトルクセンサ１６が故障していると判定する。

操舵トルク推定部３２は、操舵角センサ１５からの操舵角θｓと、モータ回転角センサ１４からのモータ回転角θｍとに基づいて操舵軸３に加わる操舵トルクを推定操舵トルクとして推定し、推定操舵トルクＴｅをトルク信号切替部３３に出力する。推定操舵トルクＴｅの推定方法については後述する。

トルク信号切替部３３は、トルクセンサ異常検出部３１からの故障判定信号Ｓｓに基づいて、トルクセンサ１６からのセンサ操舵トルクＴｓと操舵トルク推定部３２からの推定操舵トルクＴｅとのどちらかを操舵トルクとして選択し、操舵トルクＴｆをベース目標電流設定部３５および操舵状態判定部３６に出力する。トルク信号切替部３３は、故障判定信号Ｓｓの判定内容が故障である場合には、推定操舵トルクＴｅを操舵トルクＴｆとし、故障判定信号Ｓｓの判定内容が正常である場合には、トルクセンサ１６は正常であるとして、センサ操舵トルクＴｓを操舵トルクＴｆとする。

操舵角速度算出部３４は、操舵角センサ１５からの操舵角θｓを時間微分して操舵角速度ωを生成し、操舵状態判定部３６およびダンピング補償電流設定部３７に出力する。

ベース目標電流設定部３５は、トルク信号切替部３３からの操舵トルクＴｆと、車速センサ２１からの車速Ｖとに基づいて、予め設定された所定のベース目標電流マップを参照し、対応するベース目標電流値Ｉｂを設定し、目標電流設定部３８に出力する。ベース目標電流値Ｉｂは基本アシスト量に対応する。

操舵状態判定部３６は、トルク信号切替部３３からの操舵トルクＴｆと、操舵角速度算出部３４からの操舵角速度ωとに基づいて操舵状態を判定する。操舵状態は、図３に示すように、操舵トルクＴｆの方向および操舵角速度ωの方向をともに０を中立とする正負の方向（正転（左）方向または逆転（右）方向）で判断し、両者の方向が同じ場合（符号がいずれも正またはいずれも負）を往き操舵、方向が異なる場合（符号の一方が正で、他方が負）を戻り操舵と判定する。操舵状態判定部３６は、判定結果である操舵状態判定信号Ｓａを目標電流設定部３８に出力する。なお、操舵角速度ωの代わりにモータ回転角θｍから算出したモータ回転角速度を適用してもよい。

ダンピング補償電流設定部３７は、操舵をダンピングするためのダンピング補償電流値Ｉｄを設定すべく、操舵角速度算出部３４からの操舵角速度ωに基づき、予め設定された所定のダンピング補償電流マップを参照し、対応するダンピング補償電流値Ｉｄを設定し、目標電流設定部３８に出力する。

目標電流設定部３８は、ベース目標電流設定部３５からのベース目標電流値Ｉｂと、操舵状態判定部３６からの操舵状態判定信号Ｓａと、ダンピング補償電流設定部３７からのダンピング補償電流値Ｉｄとに基づいて、操舵状態判定信号Ｓａから操舵状態が往き操舵である場合にはベース目標電流値Ｉｂにダンピング補償電流値Ｉｄを減算し、操舵状態判定信号Ｓａから操舵状態が戻り操舵である場合にはベース目標電流値Ｉｂにダンピング補償電流値Ｉｄを加算し、目標電流Ｉｔを演算してモータ制御部３９に出力する。

モータ制御部３９は、目標電流設定部３８からの目標電流Ｉｔに基づいて駆動回路２０を制御するためのＰＷＭ信号を生成し、モータ１３を駆動制御する。

次に、図４および図５のフローチャートを参照して、実施形態に係る操舵補助力の設定手順について説明する。自動車が運転を開始すると、制御部１８は、所定の制御インターバル（例えば、２ｍｓ）をもって、各センサからの検出値を受け取り、図４および図５に示す制御を実行する。

最初に、ステップＳ１において、制御部１８は、任意の時間において、トルクセンサ１６からセンサ操舵トルクＴｓ、車速センサ２１から車速Ｖ、操舵角センサ１５から操舵角θｓ、モータ回転角センサ１４からモータ回転角θｍを取得する。これらの値は、所定の制御インターバル毎に取得されるものであり、今回値と前回値で区別する必要がある場合には、今回値θｓ（ｎ）、前回値θｎ（ｎ−１）のようにカッコ内の添え字で区別する。なお、必要な前回値は、制御装置２０に組み込まれたメモリに保持されている。

次に、ステップＳ２では、操舵トルク推定部３２において、推定操舵トルクＴｅの推定処理を行う。推定操舵トルクＴｅの推定処理は、図５に示すサブルーチンによって行う。

図５に示すように、最初に、操舵角θｓについて操舵角センサ１５からの今回値θｓ（ｎ）と、メモリに保持された前回値θｓ（ｎ−１）とを比較し、変化が生じているか否かを判定する（Ｓ１１）。変化が有る（Ｙｅｓ）と判定した場合には、今回の操舵角θｓ（ｎ）を基準操舵角θｓ_０に設定する（Ｓ１２）とともに、基準操舵角θｓ_０を補正操舵角θｓ´に設定し（Ｓ１３）、今回のモータ回転角θｍ（ｎ）を基準モータ角θｍ_０に設定する（Ｓ１４）。その後は、ステップＳ１５へと進む。

一方、ステップＳ１１において、変化がない（Ｎｏ）と判定した場合には、今回モータ回転角θｍ（ｎ）と基準モータ回転角θｍ_０との差を変化量Δθｍとして算出し（Ｓ１７）、このモータ回転角における変化量Δθｍを操舵軸３の減速機１２を介して電動モータ１３が接続された部分の回転角の変化量である換算変化量Δθｍ´に換算する（Ｓ１８）。換算は、例えば、モータ回転角における変化量Δθｍを減速機１２の減速比Ｄで除することによって行われる。そして、換算変化量Δθｍ´を基準操舵角θｓ_０に加算して補正操舵角θｓ´を算出する（Ｓ１９）。その後は、ステップＳ１５へと進む。

ステップＳ１５では、今回のモータ回転角θｍ（ｎ）を、ステップＳ１８と同様に、操舵軸３の減速機１２を介して電動モータ１３が接続された部分の回転角に換算し、換算回転角θｍ´として算出する。ステップＳ１６では、補正操舵角θｓ´と換算回転角θｍ´と差を算出することによって、操舵軸３の操舵角センサ１５が検出する部分と、操舵軸３の減速機１２を介して電動モータ１３が接続された部分との間における範囲Ａの操舵軸３のねじれ角を算出し、このねじれ角に範囲Ａの剛性Ｋ（Ｎ／ｍ）を乗じることによって操舵トルクを推定操舵トルクＴｅとして算出する。剛性Ｋは、トルクセンサ１６にトーションバー式トルクセンサを使用している場合には、トーションバーのばね定数を使用するとよい。以上のようにして推定操舵トルクＴｅを算出した後は、図４のステップ３へと進む。

ステップＳ３では、ダンピング補償電流設定部３７が、操舵角速度ωに基づいてダンピング補償電流値Ｉｄを設定する。続いて、ステップＳ４では、トルクセンサ異常検出部３１が、センサ操舵トルクＴｓと操舵角θｓとに基づいてトルクセンサ１６の正常・故障を判定し（Ｓ４）、トルクセンサ１６が故障している判定した場合（Ｙｅｓ）には、トルク信号切替部３３が故障判定信号Ｓｓに基づいて推定操舵トルクＴｅを操舵トルクＴｆとし（Ｓ５）、トルクセンサ１６が正常であると判定した場合（Ｎｏ）には、トルク信号切替部３３が故障判定信号Ｓｓに基づいてセンサ操舵トルクＴｓを操舵トルクＴｆとする（Ｓ６）。

続いて、ベース目標電流設定部３５が、操舵トルクＴｆと車速Ｖとに基づいてベース目標電流値Ｉｂを設定し（Ｓ７）、操舵状態判定部３６が、操舵トルクＴｆと操舵角速度ωとに基づいて操舵状態が往き操舵または戻り操舵であるかを判定し（Ｓ８）、目標電流設定部３８が、ベース目標電流値Ｉｂ、操舵状態判定信号Ｓａ、ダンピング補償電流値Ｉｄに基づいて目標電流値Ｉｔを設定する（Ｓ９）。その後、制御部１８は、モータ制御部３９において目標電流値Ｉｔに基づいてＰＷＭ信号を生成し、駆動回路２０を介してモータ１３を制御する。

図６を参照して、本実施形態のパワーステアリング装置１において、操舵角センサ１５の検出値である操舵角θを補正した効果を説明する。図６に示すように、操舵角センサ１５の分解能が４目盛り分の角度（例えば１°）であり、モータ回転角センサ１４の検出値であるモータ回転角θｍを操舵軸３上の角度に換算した換算モータ回転角θｍ´の分解能が１目盛り分の角度（例えば０．２５°）であるとする。この場合には、時間ｔ１からｔ２の間は、操舵角センサ１５はその分解能から角度変化を検出することができず、操舵角θｓは一定値となるが、モータ回転角センサ１４は、操舵角センサ１５が捉えることができない微小な角度変化を検出し、換算検出値θｍ´は変化する。

上述した図５に示す手順に従えば、例えば、時間ｔ１において、操舵角θｓは今回値と前回値が相違するため、時間ｔ１におけるモータ回転角センサθｍが基準モータ回転角θｍ_０として保持される。その後、時間ｔ１から時間ｔ２の間は、操舵角θｓは変化しないため、時間ｔ１から時間ｔ２の各時点においてモータ回転角θｍと基準モータ回転角θｍ_０との差である変化量Δθｍが算出され、その換算値である換算変化量Δθｍ´がθｓに加算されて補正操舵角θｓ´が算出される。図６に示すように、補正操舵角θｓ´は、操舵角θｓよりも実際の操舵角に近い値となる。実際の操舵角３と実際の換算モータ回転角とは、ねじれ角の分だけ差を有するものの、互いに追従して変化する傾向があるため、モータ回転角センサ１４の検出値に基づいて操舵角θｓを真の値に近づけることができる。

図６Ｂに示すように、補正操舵角θｓ´から換算モータ回転角θｍ´を減算した差分は、操舵角θｓから換算モータ回転角θｍ´を減算した差分よりも値の振動が抑制されている。このような差分（θｓ´−θｍ´）を操舵軸のねじれ角として使用することによって、図７に示すように、推定操舵トルクＴｅは値の振動が抑制される。このような推定操舵トルクＴｅを用いて操舵補助力を設定すると、操舵補助力のリップル感が減少する。

１…パワーステアリング装置、２…ステアリングホイール、３…操舵軸、４…前輪、５…連結機構、１３…電動モータ、１４…モータ回転角センサ、１５…操舵角センサ、１６…トルクセンサ、１７…制御装置、１８…制御部、２０…駆動回路、２１…車速センサ、３１…トルクセンサ異常検出部、３２…操舵トルク推定部、３３…トルク信号切替部、３４…操舵角速度算出部、３５…ベース目標電流設定部、３６…操舵状態判定部、３７…ダンピング補償電流設定部、３８…目標電流設定部、３９…モータ制御部

Claims

ステアリングホイールに連結された操舵軸と、前記操舵軸の回転に応じてタイヤを転舵する連結機構と、前記操舵軸に接続された電動モータと、前記操舵軸に作用する操舵トルクに応じて前記電動モータを駆動する制御手段とを有する電動パワーステアリング装置であって、
操舵角を所定周期毎に検出する操舵角検出手段と、
前記電動モータのモータ回転角を所定周期毎に検出するモータ回転角検出手段と、
前記モータ回転角に基づいて算出した前記操舵軸の前記電動モータが接続された部分の回転角と前記操舵角との差に基づいて前記操舵トルクを推定する操舵トルク推定手段と
を有し、
前記操舵トルク推定手段は、前記操舵角検出手段が任意の時間に検出した今回操舵角と前記今回操舵角を検出した時の１周期前に検出した前回操舵角とが等しい場合には、前記モータ回転角に基づいて前記今回操舵角を補正することを特徴とするパワーステアリング装置。
前記操舵トルク推定手段は、前記今回操舵角と前記前回操舵角とが相違する場合には、前記今回操舵角を検出したときの前記モータ回転角を基準モータ回転角とし、前記今回操舵角を検出したときより後に検出する第ｎ操舵角が前記今回操舵角を検出したときから連続して前記今回操舵角と等しい場合には、前記第ｎ操舵角を検出したときに検出した第ｎモータ回転角と前記基準モータ回転角との差を前記第ｎ操舵角に加算することを特徴とする、請求項１に記載のパワーステアリング装置。
前記操舵トルクの方向と前記操舵角に基づく操舵角速度の方向とを比較し、前記操舵トルクと前記操舵角速度との方向が同一である場合を往き状態と判定し、前記操舵トルクと前記操舵角速度との方向が相反する場合を戻り状態と判定する操舵状態検出手段を有し、
前記制御手段は、前記往き状態の場合には、前記操舵トルクに基づいて算出した基本アシスト量に、前記操舵角速度に基づいて算出したダンパ量を減算し、前記戻り状態の場合には、前記基本アシスト量に前記ダンパ量を加算することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のパワーステアリング装置。
前記操舵トルクの方向と前記モータ回転角に基づくモータ回転角速度の方向とを比較し、前記操舵トルクと前記モータ回転角速度との方向が同一である場合を往き状態と判定し、前記操舵トルクと前記モータ回転角速度との方向が相反する場合を戻り状態と判定する操舵状態検出手段を有し、
前記制御手段は、前記往き状態の場合には、前記操舵トルクに基づいて算出した基本アシスト量に、前記操舵角から算出された操舵角速度に基づいて算出したダンパ量を減算し、前記戻り状態の場合には、前記基本アシスト量に前記ダンパ量を加算することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のパワーステアリング装置。