JP5455532B2 - トルク検出装置、トルク検出方法及びパワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、トルク検出装置、トルク検出方法及びパワーステアリング装置に関する。

近年、車両のステアリング系に電動モータを備え、電動モータの動力にてドライバの操舵力をアシストする電動パワーステアリング装置が提案されている。そして、操舵アシストトルクを制御する制御装置は、例えば、トルクセンサにより検出された操舵トルクに基づいて電動モータを通電制御する。
例えば、特許文献１には、以下のような技術が記載されている。すなわち、特許文献１に記載の電動パワーステアリング装置は、ステアリングシャフトの他端に連結された、トーションバーとレゾルバセンサとを有するトルクセンサを備えている。レゾルバセンサは、トーションバーの一端側と他端側との回転角を検出する。トルクセンサは、レゾルバセンサが検出した回転角に対応した回転角信号を生成し、生成した回転角信号を出力する。アシストトルク演算部には、トルクセンサが生成した回転角信号が入力する。そして、アシストトルク演算部は、回転角信号に基づいて、各種制御処理に使用される操舵力を演算し、モータに発生させるアシスト力を算出する。

特開２００９−１７９０９６号公報

レゾルバなどの、正弦波信号および余弦波信号を出力する回転角センサで構成されるトルクセンサにおいては、マイクロコンピュータを使用して、余弦値をＸ軸成分、正弦値をＹ軸成分として、ｔａｎθ＝Ｙ／Ｘの演算により、回転軸の回転角度θを求め、２つの回転軸の回転角度θの差により２つの回転軸の相対回転角度を算出することが考えられる。しかしながら、ｔａｎθ＝Ｙ／Ｘの演算により回転角度θを求め、相対角度を得るためには、演算能力が高いマイクロコンピュータが必要となってしまう。
本発明は、回転角センサから出力される正弦値および余弦値を基に簡易にトルクを演算することができる方法および装置を提案することを目的とする。

かかる目的のもと、本発明は、弾性部材を介して連結された第１の回転軸および第２の回転軸の一方の回転軸に加えられたトルクを検出するトルク検出装置であって、前記第１の回転軸の回転角度に応じた正弦値及び余弦値を出力する第１の回転角度センサと、前記第２の回転軸の回転角度に応じた正弦値及び余弦値を出力する第２の回転角度センサと、前記第１の回転角度センサからの出力値と前記第２の回転角度センサからの出力値とに基づいて前記トルクを演算するトルク演算手段と、を備え、前記トルク演算手段は、前記第１の回転角度センサから出力された正弦値と前記第２の回転角度センサから出力された正弦値との差を演算する第１の減算手段と、前記第１の回転角度センサから出力された余弦値と前記第２の回転角度センサから出力された余弦値との差を演算する第２の減算手段と、前記第１の減算手段の演算結果の二乗を演算する第１の乗算手段と、前記第２の減算手段の演算結果の二乗を演算する第２の乗算手段と、前記第１の乗算手段の演算結果と第２の乗算手段の演算結果とを加算する加算手段と、を有し、前記加算手段の演算結果に基づいて前記トルクを演算することを特徴とするトルク検出装置である。

ここで、前記トルク演算手段は、前記加算手段の演算結果に予め定められた係数を乗算する第３の乗算手段と、当該第３の乗算手段の演算結果の平方根を演算する平方根演算手段とをさらに備えることが好適である。
また、前記予め定められた係数は、前記弾性部材の材質に依存する値であることが好適である。

また、他の観点から捉えると、本発明は、弾性部材を介して連結された第１の回転軸および第２の回転軸の一方の回転軸に加えられたトルクを検出するトルク検出方法であって、前記第１の回転軸の回転角度に応じた正弦値及び余弦値を取得し、前記第２の回転軸の回転角度に応じた正弦値及び余弦値を取得し、前記第１の回転軸の回転角度に応じた正弦値と前記第２の回転軸の回転角度に応じた正弦値との差を演算して第１の減算値を求め、前記第１の回転軸の回転角度に応じた余弦値と前記第２の回転軸の回転角度に応じた余弦値との差を演算して第２の減算値を求め、第１の減算値と第２の減算値との二乗和を演算し、前記二乗和に基づいて前記トルクを演算することを特徴とするトルク検出方法である。
ここで、前記二乗和に予め定められた係数を乗算して得た値の平方根を演算することにより前記トルクを求めることが好適である。

また、他の観点から捉えると、ステアリングホイールに連結される第１の回転軸と、トーションバーを介して前記第１の回転軸と連結される第２の回転軸と、前記ステアリングホイールに加えられたトルクを検出するトルク検出手段と、を備えるパワーステアリング装置であって、前記トルク検出手段は、前記第１の回転軸の回転角度に応じた正弦値及び余弦値を出力する第１の回転角度センサと、前記第２の回転軸の回転角度に応じた正弦値及び余弦値を出力する第２の回転角度センサと、前記第１の回転角度センサからの出力値と前記第２の回転角度センサからの出力値とに基づいて前記トルクを演算するトルク演算手段と、を備え、前記トルク演算手段は、前記第１の回転角度センサから出力された正弦値と前記第２の回転角度センサから出力された正弦値との差を演算する第１の減算手段と、前記第１の回転角度センサから出力された余弦値と前記第２の回転角度センサから出力された余弦値との差を演算する第２の減算手段と、前記第１の減算手段の演算結果の二乗を演算する第１の乗算手段と、前記第２の減算手段の演算結果の二乗を演算する第２の乗算手段と、前記第１の乗算手段の演算結果と第２の乗算手段の演算結果とを加算する加算手段と、を有し、前記加算手段の演算結果に基づいて前記トルクを演算することを特徴とするパワーステアリング装置である。
ここで、前記トルク演算手段は、前記加算手段の演算結果に予め定められた係数を乗算する第３の乗算手段と、当該第３の乗算手段の演算結果の平方根を演算する平方根演算手段とをさらに備えることが好適である。

本発明によれば、本発明を採用しない場合に比べて、回転角センサから出力される正弦値および余弦値を基に簡易にトルクを演算することができる。

第１の実施形態に係るトルク検出装置を適用した電動パワーステアリング装置の断面図である。 第１の回転軸の回転角度、第２の回転軸の回転角度および操舵トルクの関係を導き出すために用いる図である。 トルク演算部のブロック図である。

＜第１の実施形態＞
以下、添付図面を参照して、第１の実施形態について詳細に説明する。
図１は、第１の実施形態に係るトルク検出装置１を適用した電動パワーステアリング装置１００の断面図である。
トルク検出装置１は、ハウジング１１０に回転可能に支持された第１の回転軸１２０と、同じくハウジング１１０に回転可能に支持された第２の回転軸１３０とを連結するトーションバー１４０の捩れ量に基づいて、第１の回転軸１２０に加えられた操舵トルクＴを検出する装置である。

ハウジング１１０は、例えば自動車などの乗り物の本体フレーム（以下、「車体」と称する場合もある。）に固定される部材であり、第１ハウジング１１１と第２ハウジング１１２とが、例えばボルトなどにより結合されて構成される。
第１の回転軸１２０は、例えばステアリングホイールが連結される回転軸であり、軸受１１３を介して第１ハウジング１１１に回転可能に支持されている。

第２の回転軸１３０は、トーションバー１４０を介して第１の回転軸１２０に同軸的に結合されているとともに軸受１１４を介して第２ハウジング１１２に回転可能に支持されている。また、第２の回転軸１３０に形成されたピニオン１３１が、車輪に連結されるラック軸（不図示）のラック（不図示）と噛み合っている。そして、第２の回転軸１３０の回転運動がピニオン１３１、ラックを介してラック軸の直線運動に変換され、車輪が操舵される。
また、第２の回転軸１３０には、例えば圧入などによりウォームホイール１５０が固定されている。このウォームホイール１５０は、第２ハウジング１１２に固定された電動モータ１６０の出力軸に連結されたウォームギヤ１６１と噛み合っている。

以上のように構成された電動パワーステアリング装置１００は、トルク検出装置１にてステアリングホイールに加えられた操舵トルクＴを検出する。そして、検出した操舵トルクＴに基づいて電動モータ１６０を駆動し、電動モータ１６０の発生トルクをウォームギヤ１６１、ウォームホイール１５０を介して第２の回転軸１３０に伝達する。これにより、電動モータ１６０の発生トルクが、ステアリングホイールに加える運転者の操舵力をアシストする。

以下に、トルク検出装置１について詳述する。
トルク検出装置１は、第１の回転軸１２０の回転角度を検出する第１の回転角度センサ４１と、第２の回転軸１３０の回転角度を検出する第２の回転角度センサ４２とを有する。また、トルク検出装置１は、第１の回転角度センサ４１および第２の回転角度センサ４２からの出力値に基づいてステアリングホイールに加えられた操舵トルクＴを演算するトルク演算部６０を有している。

第１の回転角度センサ４１は、第１の回転軸１２０の回転角度に応じた正弦値および余弦値を出力する回転角センサであり、例えばレゾルバであることを例示することができる。つまり、第１の回転軸１２０の回転角度を角度αとすると、第１の回転角度センサ４１は、ｓｉｎαとｃｏｓαを出力する。
第２の回転角度センサ４２も、第２の回転軸１３０の回転角度に応じた正弦値および余弦値を出力する回転角センサであり、例えばレゾルバであることを例示することができる。つまり、第２の回転軸１３０の回転角度を角度βとすると、第２の回転角度センサ４２は、ｓｉｎβとｃｏｓβを出力する。

トルク演算部６０には、第１の回転角度センサ４１から出力されたｓｉｎαおよびｃｏｓαと、第２の回転角度センサ４２から出力されたｓｉｎβおよびｃｏｓβが入力される。そして、トルク演算部６０は、以下に示す方法で、取得したｓｉｎα、ｃｏｓα、ｓｉｎβおよびｃｏｓβからステアリングホイールに加えられた操舵トルクＴを演算する。

ここで、ステアリングホイールに操舵トルクＴが加えられた場合、その操舵トルクＴに比例してトーションバー１４０が捩れる。その捩れ角度を角度θ（ｒａｄ）とすると、角度θと操舵トルクＴ（ｋｇ・ｃｍ）とは以下に示す式（１）の関係となる。
Ｔ＝（（π×Ｇ）／３２）×（（Ｄ^４）／Ｌ）×θ＝γ×θ・・・（１）
なお、Ｇは、トーションバー１４０のせん断係数（ｋｇ／ｃｍ^２）、Ｌは、トーションバー１４０と第１の回転軸１２０との連結部と、トーションバー１４０と第２の回転軸１３０との連結部との間の距離（ｃｍ）、Ｄは、トーションバー１４０における捩れ部位の軸径（ｃｍ）である。

図２は、第１の回転軸１２０の回転角度α、第２の回転軸１３０の回転角度βおよび操舵トルクＴの関係を導き出すために用いる図である。
図２に示す半径１の円が示されたｘｙ座標において、座標が（ｃｏｓα，ｓｉｎα）である点を点Ａ、座標が（ｃｏｓβ，ｓｉｎβ）である点を点Ｂとすると、点Ａと点Ｂとを結ぶ円弧の長さｌ（ｃｍ）は「ｌ＝α−β」であり、角度αと角度βとの差が捩れ角θであるから、円弧の長さｌと捩れ角θとは、以下に示す式（２）の関係となる。
ｌ＝α−β＝θ・・・（２）

式（１）と式（２）からθを消去すると、以下の式（３）となる。
Ｔ＝γ×ｌ・・・（３）
そして、捩れ角θが小さい場合、円弧の長さｌは、点Ａと点Ｂとを結ぶ直線の長さに近似することができる。ゆえに、図２に示すｘｙ座標において、点Ａのｘ座標と点Ｂのｘ座標との間の距離をｌｘ、点Ａのｙ座標と点Ｂのｙ座標との間の距離をｌｙとすると、以下に示す式（４）の関係となる。
ｌ^２＝ｌｘ^２＋ｌｙ^２・・・（４）

式（４）のｌｘ、ｌｙに、ｓｉｎα、ｃｏｓα、ｓｉｎβおよびｃｏｓβを代入すると、以下の式（５）となる。
ｌ^２＝（ｃｏｓα−ｃｏｓβ）^２＋（ｓｉｎα−ｓｉｎβ）^２・・・（５）
式（５）を、式（３）の両辺を二乗した式に代入すると以下の式（６）となる。
Ｔ^２＝γ^２×（（ｃｏｓα−ｃｏｓβ）^２＋（ｓｉｎα−ｓｉｎβ）^２）・・・（６）

操舵トルクＴと、ｓｉｎα、ｃｏｓα、ｓｉｎβおよびｃｏｓβとの関係が、式（６）に示す関係となることに鑑み、トルク演算部６０は、以下に示す構成を備えている。
図３は、トルク演算部６０のブロック図である。
トルク演算部６０は、第１の回転角度センサ４１および第２の回転角度センサ４２からの出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部６１を有している。また、トルク演算部６０は、第１の回転角度センサ４１および第２の回転角度センサ４２の一方の回転角度センサから出力されＡ／Ｄ変換部６１にてＡ／Ｄ変換された正弦値から、他方の回転角度センサから出力されＡ／Ｄ変換部６１にてＡ／Ｄ変換された正弦値を減算し、減算した値を出力する第１の減算部６２と、第１の回転角度センサ４１および第２の回転角度センサ４２の一方の回転角度センサから出力されＡ／Ｄ変換部６１にてＡ／Ｄ変換された余弦値から、他方の回転角度センサから出力されＡ／Ｄ変換部６１にてＡ／Ｄ変換された余弦値を減算し、減算した値を出力する第２の減算部６３と、を有している。

また、トルク演算部６０は、第１の減算部６２からの出力値同士を乗算（出力値の二乗を演算）し、乗算（演算）した値を出力する第１の乗算部６４と、第２の減算部６３からの出力値同士を乗算（出力値の二乗を演算）し、乗算（演算）した値を出力する第２の乗算部６５とを有する。
また、トルク演算部６０は、第１の乗算部６４からの出力値と第２の乗算部６５からの出力値とを加算し、加算した値を出力する加算部６６と、加算部６６からの出力値に対して予め定められた係数を乗算し、乗算した値を出力する第３の乗算部６７と、第３の乗算部６７からの出力値の平方根を演算し、演算した値を出力する平方根演算部６８とを有する。

第１の減算部６２は、例えば、「ｓｉｎα−ｓｉｎβ」を演算し、その演算結果を出力する。第２の減算部６３は、例えば、「ｃｏｓα−ｃｏｓβ」を演算し、その演算結果を出力する。そして、第１の乗算部６４は、第１の減算部６２からの出力値である「ｓｉｎα−ｓｉｎβ」同士を乗算して「（ｓｉｎα−ｓｉｎβ）^２」を演算し（「ｓｉｎα−ｓｉｎβ」を二乗し）、その演算結果を出力する。また、第２の乗算部６５は、第２の減算部６３からの出力値である「ｃｏｓα−ｃｏｓβ」同士を乗算して「（ｃｏｓα−ｃｏｓβ）^２」を演算し（「ｓｉｎα−ｓｉｎβ」を二乗し）、その演算結果を出力する。そして、加算部６６は、第１の乗算部６４からの出力値である「（ｓｉｎα−ｓｉｎβ）^２」と第２の乗算部６５からの出力値である「（ｃｏｓα−ｃｏｓβ）^２」とを加算して「（ｓｉｎα−ｓｉｎβ）^２＋（ｃｏｓα−ｃｏｓβ）^２」を演算し、その演算結果を出力する。そして、第３の乗算部６７は、加算部６６からの出力値である「（ｓｉｎα−ｓｉｎβ）^２＋（ｃｏｓα−ｃｏｓβ）^２」に対して予め定められた係数の一例としてのγ^２を乗算し、その演算結果を出力する。そして、平方根演算部６８は、第３の乗算部６７からの出力値である「γ^２×（ｓｉｎα−ｓｉｎβ）^２＋（ｃｏｓα−ｃｏｓβ）^２」の平方根を演算し、演算した値を出力する。

上記した式（６）により、平方根演算部６８から出力された値が操舵トルクＴとなる。
なお、第１の減算部６２、第２の減算部６３、第１の乗算部６４、第２の乗算部６５、加算部６６、第３の乗算部６７および平方根演算部６８は、回路などのハードウェアにより演算してもよいし、ソフトウェアにより演算してもよい。

以上のように構成されたトルク演算部６０においては、第１の回転角度センサ４１および第２の回転角度センサ４２からの出力信号である正弦値および余弦値を、減算、乗算、加算などを行うことにより操舵トルクＴを演算して求めている。それゆえ、第１の回転角度センサ４１からの余弦値をｘ軸成分、正弦値をｙ軸成分として、「ｔａｎα＝ｙ／ｘ」の演算により、第１の回転軸１２０の回転角度αを求めるとともに、第２の回転角度センサ４２からの余弦値をｘ軸成分、正弦値をｙ軸成分として、「ｔａｎβ＝ｙ／ｘ」の演算により、第１の回転軸１２０の回転角度βを求める方法よりも演算に要する負荷を低くすることができる。

したがって、本実施の形態に係るトルク検出装置１によれば、「ｔａｎα＝ｙ／ｘ」の演算により求めた角度αと「ｔａｎβ＝ｙ／ｘ」の演算により求めた角度βとに基づいて操舵トルクＴを演算する場合よりも、操舵トルクＴを演算するための負荷を低くすることが可能となる。その結果、例えば、演算能力が高いマイクロコンピュータを使用することに起因して部品コストが高くなることを抑制することができる。

１…トルク検出装置、４１…第１の回転角度センサ、４２…第２の回転角度センサ、６０…トルク演算部、１００…電動パワーステアリング装置、１１０…ハウジング、１２０…第１の回転軸、１３０…第２の回転軸、１４０…トーションバー、１５０…ウォームホイール、１６０…電動モータ

Claims (7)

1. 弾性部材を介して連結された第１の回転軸および第２の回転軸の一方の回転軸に加えられたトルクを検出するトルク検出装置であって、
   前記第１の回転軸の回転角度に応じた正弦値及び余弦値を出力する第１の回転角度センサと、
   前記第２の回転軸の回転角度に応じた正弦値及び余弦値を出力する第２の回転角度センサと、
   前記第１の回転角度センサからの出力値と前記第２の回転角度センサからの出力値とに基づいて前記トルクを演算するトルク演算手段と、
   を備え、
   前記トルク演算手段は、
   前記第１の回転角度センサから出力された正弦値と前記第２の回転角度センサから出力された正弦値との差を演算する第１の減算手段と、
   前記第１の回転角度センサから出力された余弦値と前記第２の回転角度センサから出力された余弦値との差を演算する第２の減算手段と、
   前記第１の減算手段の演算結果の二乗を演算する第１の乗算手段と、
   前記第２の減算手段の演算結果の二乗を演算する第２の乗算手段と、
   前記第１の乗算手段の演算結果と第２の乗算手段の演算結果とを加算する加算手段と、
   を有し、
   前記加算手段の演算結果に基づいて前記トルクを演算することを特徴とするトルク検出装置。
2. 前記トルク演算手段は、前記加算手段の演算結果に予め定められた係数を乗算する第３の乗算手段と、当該第３の乗算手段の演算結果の平方根を演算する平方根演算手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のトルク検出装置。
3. 前記予め定められた係数は、前記弾性部材の材質に依存する値であることを特徴とする請求項２に記載のトルク検出装置。
4. 弾性部材を介して連結された第１の回転軸および第２の回転軸の一方の回転軸に加えられたトルクを検出するトルク検出方法であって、
   前記第１の回転軸の回転角度に応じた正弦値及び余弦値を取得し、
   前記第２の回転軸の回転角度に応じた正弦値及び余弦値を取得し、
   前記第１の回転軸の回転角度に応じた正弦値と前記第２の回転軸の回転角度に応じた正弦値との差を演算して第１の減算値を求め、
   前記第１の回転軸の回転角度に応じた余弦値と前記第２の回転軸の回転角度に応じた余弦値との差を演算して第２の減算値を求め、
   第１の減算値と第２の減算値との二乗和を演算し、
   前記二乗和に基づいて前記トルクを演算することを特徴とするトルク検出方法。
5. 前記二乗和に予め定められた係数を乗算して得た値の平方根を演算することにより前記トルクを求めることを特徴とする請求項４に記載のトルク検出方法。
6. ステアリングホイールに連結される第１の回転軸と、
   トーションバーを介して前記第１の回転軸と連結される第２の回転軸と、
   前記ステアリングホイールに加えられたトルクを検出するトルク検出手段と、
   を備えるパワーステアリング装置であって、
   前記トルク検出手段は、
   前記第１の回転軸の回転角度に応じた正弦値及び余弦値を出力する第１の回転角度センサと、
   前記第２の回転軸の回転角度に応じた正弦値及び余弦値を出力する第２の回転角度センサと、
   前記第１の回転角度センサからの出力値と前記第２の回転角度センサからの出力値とに基づいて前記トルクを演算するトルク演算手段と、
   を備え、
   前記トルク演算手段は、
   前記第１の回転角度センサから出力された正弦値と前記第２の回転角度センサから出力された正弦値との差を演算する第１の減算手段と、
   前記第１の回転角度センサから出力された余弦値と前記第２の回転角度センサから出力された余弦値との差を演算する第２の減算手段と、
   前記第１の減算手段の演算結果の二乗を演算する第１の乗算手段と、
   前記第２の減算手段の演算結果の二乗を演算する第２の乗算手段と、
   前記第１の乗算手段の演算結果と第２の乗算手段の演算結果とを加算する加算手段と、
   を有し、
   前記加算手段の演算結果に基づいて前記トルクを演算する
   ことを特徴とするパワーステアリング装置。
7. 前記トルク演算手段は、前記加算手段の演算結果に予め定められた係数を乗算する第３の乗算手段と、当該第３の乗算手段の演算結果の平方根を演算する平方根演算手段とをさらに備えることを特徴とする請求項６に記載のパワーステアリング装置。

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