JP7211149B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータにより動作する操舵アシスト機構を有し、運転者によるステアリングホイールの操作を操舵アシスト機構によって補助する電動パワーステアリング装置に関する。

従来の電動パワーステアリング装置では、運転者がステアリングホイールに入力する操舵トルクの大きさに応じて、操舵アシスト機構のモータが出力するアシストトルクの値が決定されている。つまり、従来の電動パワーステアリング装置では、操舵アシスト機構の制御としてトルク制御が行われている。特開２００３－０２６０２２号公報には、そのような従来の電動パワーステアリング装置の一例が開示されている。

特開２００３－０２６０２２号公報

車両の転舵に必要な操舵トルクは、積載量やタイヤ諸元等の車両条件によって変化する。つまり、車両条件が異なれば、操舵トルクと転舵角との関係も異なったものになる。電動パワーステアリング装置を備える車両の場合、運転者は必要な操舵トルクの一部を負担するだけですむ。しかし、負担する操舵トルクが少ないといえども、車両条件が異なる毎に操舵トルクに変化が生じるのでは、運転者は一定の操舵感を得られず違和感を覚えるおそれがある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、車両条件によらず一定の操舵感を得ることができ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。

本発明に係る電動パワーステアリング装置は、モータにより動作する操舵アシスト機構を有し、運転者によるステアリングホイールの操作を操舵アシスト機構によって補助する電動パワーステアリング装置において、以下のように構成された制御装置を備える。

本発明に係る電動パワーステアリング装置の制御装置は、ステアリングホイールの中立位置を原点とした絶対角度を表す回転角でステアリングホイールの位置を取得し、取得したステアリングホイールの位置に基づいてステアリングホイールに作用する操舵反力トルクの目標値を設定し、ステアリングホイールの位置と操舵反力トルクの目標値とに基づいて操舵アシスト機構の位置目標を演算し、操舵アシスト機構の位置目標に従ってモータをフィードバック制御するように構成されている。ここで、操舵反力トルクの目標値を設定することは、ステアリングホイールの位置を示す回転角の大きさが大きいほど操舵反力トルクの目標値を大きく設定することと、運転者からの操舵感要求を含む電動パワーステアリング装置に作用する外的要因に応じて操舵反力トルクの目標値を補正することと、を含んでいる。

ステアリングホイールの位置の取得に関しては、例えば、以下のような実施の形態を採ることができる。電動パワーステアリング装置がステアリングホイール回転角センサを有するのであれば、ステアリングホイール回転角センサによって検出されたステアリングホイールの位置を取得してもよい。また、電動パワーステアリング装置が操舵アシスト機構の位置を検出する操舵アシスト機構回転角センサと、ステアリングホイールに作用する操舵反力トルクを検出する操舵反力トルクセンサとを有するのであれば、操舵アシスト機構の位置と操舵反力トルクとに基づいて推定されたステアリングホイールの位置を取得してもよい。なお、操舵アシスト機構回転角センサは、モータの位置を検出し、モータの位置と操舵アシスト機構の減速比とから操舵アシスト機構の位置を演算するものでもよい。

操舵反力トルクの目標値を設定することは、電動パワーステアリング装置を備える車両の車速が高いほど操舵反力トルクの目標値を小さく設定することをさらに含んでいても良い。また、その他の車両の運動状態や走行環境に関する情報も考慮して操舵反力トルクの目標値を設定してもよい。

本発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、目標の操舵反力トルクがステアリングホイールに作用するように操舵アシスト機構の位置目標が決定され、操舵アシスト機構の位置目標が実現されるようにモータのフィードバック制御が行われる。これにより、ステアリングホイールには車両条件によらず目標どおりの操舵反力トルクが作用し、運転者は車両条件によらず一定の操舵感を得ることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置の制御装置の機能を示す図である。 操舵反力トルクの目標値の設定方法の一つの例を説明する図である。 操舵反力トルクの目標値の設定方法の別の例を説明する図である。 本発明の第２の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置の制御装置の機能を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１．第１の実施の形態
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置１０１の構成を示す図である。電動パワーステアリング装置１０１は、ステアリングホイール２、ステアリングシャフト３、連結シャフト４、ラックアンドピニオン機構５、及びラックシャフト６を備える。ステアリングホイール２の回転運動はステアリングシャフト３に入力される。ステアリングシャフト３に入力された回転運動は、ユニバーサルジョイントで連結された連結シャフト４に入力され、連結シャフト４からラックアンドピニオン機構５に入力される。入力された回転運動は、ラックアンドピニオン機構５によって減速されつつ直線運動に変換されてラックシャフト６に伝達される。ラックシャフト６をその軸方向に直線運動させることにより、図示しないタイロッドを介して図示しない操向輪の転舵角が変更される。

電動パワーステアリング装置１０１は、運転者によるステアリングホイール２の操舵操作をアシストするための操舵アシスト機構７を備える。操舵アシスト機構７は、モータ８と、モータ８からステアリングシャフト３に回転運動を伝達する減速ギヤ機構９とから構成される。モータ８はサーボモータである。モータ８が出力するトルクは減速ギヤ機構９で増大されてステアリングシャフト３に付与される。

電動パワーステアリング装置１０１は、ステアリングホイール回転角センサ１０を備える。ステアリングホイール回転角センサ１０は、ステアリングホイール２の位置、すなわち回転角を検出するセンサである。ステアリングホイール回転角センサ１０は絶対角度センサであり、ステアリングホイール２の中立位置を原点とした絶対角度でステアリングホイール２の位置を検出する。後述する操舵角は、ステアリングホイール２の位置を意味する。

電動パワーステアリング装置１０１は、操舵アシスト機構回転角センサ１１を備える。操舵アシスト機構回転角センサ１１は、操舵アシスト機構７の位置、すなわち回転角を検出するセンサである。操舵アシスト機構７の位置とは、操舵アシスト機構７によって回転駆動されるステアリングシャフト３の回転角を意味する。操舵アシスト機構回転角センサ１１は相対角度センサであり、３６０度の範囲の相対角度で操舵アシスト機構７の位置を検出する。

電動パワーステアリング装置１０１は、制御装置２０１を備える。制御装置２０１は、少なくとも１つのプロセッサ２１と少なくとも１つのメモリ２２とを有するＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。メモリ２２には、マップを含む各種のデータや各種のプログラムが記憶されている。プロセッサ２１がメモリ２２からプログラムを読みだして実行することにより、制御装置２０１には操舵アシスト制御に関係する様々な機能が実現される。ステアリングホイール回転角センサ１０と操舵アシスト機構回転角センサ１１のそれぞれの出力は制御装置２０１に入力されている。

図２は、本実施の形態の制御装置２０１の機能を示す図である。図２には、操舵アシスト制御に関係する機能がブロックで表されている。制御装置２０１は、操舵アシスト制御のための機能として、ステアリングホイール位置取得部３０、操舵反力トルク目標値設定部３１、操舵アシスト機構位置目標演算部３２、調停部３３、操舵アシスト機構位置制御部３４、及び操舵アシスト駆動部３５を備える。ただし、制御装置２０１が備えるこれらの部３０－３５は、ハードウェアとして存在するものではなく、メモリ２２に記憶されたプログラムがプロセッサ２１により実行されたときにソフトウェア的に実現される。なお、請求項との関係では、ステアリングホイール位置取得部３０は請求項に記載の「取得部」に対応し、操舵反力トルク目標値設定部３１は請求項に記載の「設定部」に対応し、操舵アシスト機構位置目標演算部３２は請求項に記載の「演算部」に対応し、操舵アシスト機構位置制御部３４は請求項に記載の「制御部」に対応している。

ステアリングホイール位置取得部３０は、ステアリングホイール回転角センサ１０によって検出されたステアリングホイール２の位置を取得する。ステアリングホイール位置取得部３０は、取得したステアリングホイール２の位置を操舵反力トルク目標値設定部３１と操舵アシスト機構位置目標演算部３２とに入力する。

操舵反力トルク目標値設定部３１は、ステアリングホイール２に作用する操舵反力トルクの目標値を設定する。操舵反力トルクの目標値の設定では、ステアリングホイール２の位置、すなわち操舵角の他、車両の状態量に相当する各種の物理量が参照される。参照される車両の状態量には、例えば、車速、ヨーレート、横加速度等が含まれる。車速は車輪速センサにより検出される。ヨーレートはヨーレートセンサにより検出される。横加速度は加速度センサにより検出されるか、ヨーレートと車速とから算出される。

ここで、操舵反力トルクの目標値の設定方法について例を挙げて説明する。図３には、ステアリングホイール２の位置、すなわち操舵角と車両の停車／走行状態とに応じて操舵反力トルクの目標値を決定する例がグラフで示されている。図３に示す例では、操舵角が大きくなるにつれて操舵反力トルクが大きくなるような目標値の設定が行われている。また、停車時と走行時とで異なる目標値が設定されている。具体的には、停車時には走行時に比べて大きな操舵反力トルクが発生するような目標値の設定が行われている。

図４には、操舵角と車速とに応じて操舵反力トルクの目標値を決定する例がグラフで示されている。図４に示す例では、操舵角が大きくなるにつれて操舵反力トルクが大きくなり、且つ、車速が高くなるにつれて操舵反力トルクが小さくなるような目標値の設定が行われている。これらの例の他にも、例えば、ヨーレートが大きいほど、或いは、横加速度が大きいほど操舵反力トルクの目標値を大きくする等、操舵反力トルクの目標値は車両の状態量に対して任意に設定することができる。

再び図２に戻り、操舵反力トルクの目標値の設定に関する説明を続ける。操舵反力トルクの目標値の設定では、さらに、外的要因に相当する各種の物理量も参照される。参照される外的要因には、例えば、運転者からの操舵感要求、路面μの推定値、路面のカント量、横風速度等が含まれる。運転者からの操舵感要求とは、例えば、重め、軽め等の要求であり室内のスイッチで操舵感が選択される。路面μ、カント量、横風速度については、センサで取得した情報や通信装置により取得したインフラ情報に基づいて公知の方法にて推定される。

操舵反力トルクの目標値と操舵感要求との関係では、重い操舵感が要求される場合には、軽い操舵感が要求される場合に比較して、操舵反力トルクの目標値を大きくすることが行われる。路面μとの関係では、例えば、路面μが小さいほど操舵反力トルクの目標値を小さくすることが行われる。カント量や横風速度等との関係においても、これらの外的要因が作用したときに運転者が違和感を覚えることが無いように、操舵反力トルクの目標値を適宜補正することが行われる。

操舵アシスト機構位置目標演算部３２は、ステアリングホイール位置取得部３０で取得されたステアリングホイール２の位置と、操舵反力トルク目標値設定部３１で設定された操舵反力トルクの目標値とに基づいて、次の式１により操舵アシスト機構７の位置目標を演算する。式１において、θ_Ｔは操舵アシスト機構７の位置目標（ｒａｄ）であり、Ｍ_Ａはステアリングホイール２の位置（ｒａｄ）であり、Ｍ_Ｔは操舵反力トルクの目標値（Ｎ・ｍ）である。また、Ｋ_Ｔはステアリングホイール回転角センサ１０と操舵アシスト機構回転角センサ１１との間のステアリングシャフト３のねじりばね定数（Ｎ・ｍ／ｒａｄ）である。
θ_Ｔ＝Ｍ_Ａ－（Ｍ_Ｔ／Ｋ_Ｔ） ・・・式１

操舵アシスト機構位置目標演算部３２で演算された操舵アシスト機構７の位置目標は、調停部３３に入力される。調停部３３には、他システムからの操舵アシスト機構７の位置目標に関する要求も入力される。他システムとは操舵アシスト機構７の位置制御を伴うシステムであり、例えば、プリクラッシュシステム、自動運転システム、自動駐車システム等が含まれる。調停部３３は、他システムから操舵アシスト機構７の位置目標に関する要求が入力された場合、基本的には、それらの要求を操舵アシスト機構位置目標演算部３２で演算された位置目標に対して優先する。また、要求を出している他システムの種類によっては、調停の方法として最大値選択や最小値選択が用いられてもよい。調停部３３は、調停後の操舵アシスト機構７の位置目標を操舵アシスト機構位置制御部３４に入力する。

操舵アシスト機構位置制御部３４は、操舵アシスト機構７の位置目標に従ってモータ８をフィードバック制御、より詳しくはサーボ制御する。操舵アシスト機構位置制御部３４には、操舵アシスト機構回転角センサ１１によって検出された操舵アシスト機構７の実位置が入力される。操舵アシスト機構位置制御部３４は、入力された操舵アシスト機構７の実位置を位置目標とのずれに応じてモータ８に供給する電流の目標値を決定する。操舵アシスト機構位置制御部３４は、決定したモータ電流目標値を操舵アシスト駆動部３５に入力する。操舵アシスト駆動部３５は、モータ８を駆動するドライバであり、与えられたモータ電流目標値に従ってモータ８に供給する電流を制御する。

以上説明したように、制御装置２０１は、ステアリングホイール２の位置等に基づいて設定した目標の操舵反力トルクがステアリングホイール２に作用するように操舵アシスト機構７の位置目標を決定し、操舵アシスト機構７の位置目標が実現されるようにモータ８をフィードバック制御する。つまり、従来の電動パワーステアリング装置では、操舵アシスト機構の制御としてトルク制御が行われていたのに対し、本実施の形態の電動パワーステアリング装置１０１では、操舵アシスト機構７の制御として位置制御が行われる。

操舵アシスト機構７の位置制御によれば、積載量やタイヤ諸元の変化と言った車両条件によらず、ステアリングホイール２には目標どおりの操舵反力トルクが作用する。これにより、本実施の形態の電動パワーステアリング装置１０１によれば、運転者は車両条件によらず一定の操舵感を得ることができる。

また、本実施の形態の電動パワーステアリング装置１０１は、適合工数の削減の面においても従来の電動パワーステアリング装置に比較して有利である。操向輪を転舵させるのに要する転舵力は車種ごとに異なる。このため、従来の電動パワーステアリング装置の場合、車種によらず一定の操舵感を得られるようにするためには、必要な操舵力が車種によって異ならないように、操舵アシスト機構のアシストトルクを車種毎に適合する必要であった。これに対し、本実施の形態の電動パワーステアリング装置１０１では、操舵アシスト機構７の位置制御によりステアリングホイール２には目標の操舵反力トルクが作用するので、車種毎の転舵力の違いを考慮した適合作業を不要にすることができる。

従来の電動パワーステアリング装置では、荒れた路面では、路面の起伏にステアリングホイールをとられて転舵角を一定に保つことが難しい場合がある。この点に関し、本実施の形態の電動パワーステアリング装置１０１によれば、操舵アシスト機構７の実位置と位置目標とのずれをなくすようにモータ８のフィードバック制御が行われるので、路面の状況によらず転舵角を一定に保つことができる。

また、従来の電動パワーステアリング装置では、車両が荒れた路面を走行しているような場合、路面からの入力によって運転者にとって不快なキックバックが発生しやすい。この点に関し、本実施の形態の電動パワーステアリング装置１０１によれば、操舵アシスト機構７の位置制御により、ステアリングホイール２には目標の操舵反力トルクが作用する。このため、路面からの入力はステアリングホイール２には伝わり難く、車両が荒れた路面を走行している場合であっても不快なキックバックの発生は抑制される。本実施の形態の電動パワーステアリング装置１０１によるキックバックの抑制効果は、ステアリングシャフト３の回転数センサ１０，１１間のねじり剛性が低い車両において特に顕著となる。この点において、本実施の形態の電動パワーステアリング装置１０１によれば、車両条件のみならず路面状態等の環境条件にもよらず一定の操舵感を得ることができる。

また、本実施の形態の電動パワーステアリング装置１０１のその他の効果として、自動運転システムやレーンキープアシスト等、操舵アシスト機構７の位置制御を要求する他システムとの間での協調の容易性が挙げられる。従来の電動パワーステアリング装置はトルク制御であるのに対し、本実施の形態の電動パワーステアリング装置１０１は他システムと同じ位置制御を行うシステムであるため、例えば調停部３３の処理から分かるように、他システムと容易に協調させることができる。

２．第２の実施の形態
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置１０２の構成を示す図である。この図において、第１の実施の形態のものと共通する要素には、同一の符号が振られている。以下の説明では、第１の実施の形態で既に説明した構成については省略し、本実施の形態に特有の構成について説明する。

電動パワーステアリング装置１０２は、ステアリングホイール回転角センサ１０（図１参照）に代えて、操舵反力トルクセンサ１２を備える。操舵反力トルクセンサ１２は、ステアリングシャフト３に作用する操舵反力トルクを検出するセンサである。操舵反力トルクセンサ１２の出力は、操舵アシスト機構回転角センサ１１の出力とともに制御装置２０２に入力されている。制御装置２０２は、第１の実施の形態の制御装置２０１（図１参照）と同様に、少なくとも１つのプロセッサ２１と少なくとも１つのメモリ２２とを有するＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。

図６は、本実施の形態の制御装置２０２の機能を示す図である。図６には、操舵アシスト制御に関係する機能がブロックで表されている。制御装置２０２は、操舵アシスト制御のための機能として、ステアリングホイール位置取得部３６、操舵反力トルク目標値設定部３１、操舵アシスト機構位置目標演算部３２、調停部３３、操舵アシスト機構位置制御部３４、及び操舵アシスト駆動部３５を備える。これらの機能のうち、本実施の形態と第１の実施の形態との違いはステアリングホイール位置取得部３６の機能にある。

本実施の形態のステアリングホイール位置取得部３６は、操舵アシスト機構回転角センサ１１で検出された操舵アシスト機構の位置と、操舵反力トルクセンサ１２で検出された操舵反力トルクとを取得する。そして、操舵アシスト機構の位置と操舵反力トルクとに基づいて、以下の式２によりステアリングホイール２の位置Ｍ_Ａを推定する。式２において、θは操舵アシスト機構７の実位置（ｒａｄ）であり、Ｔ_１は操舵反力トルクの検出値（Ｎ・ｍ）である。
Ｍ_Ａ＝θ＋（Ｔ_１／Ｋ_Ｔ） ・・・式２

本実施の形態では、操舵アシスト機構の位置と操舵反力トルクとに基づいて推定されたステアリングホイール２の位置が、操舵反力トルク目標値設定部３１と操舵アシスト機構位置目標演算部３２とに入力される。一般的に、操舵アシスト制御の用途での信頼性はステアリングホイール回転角センサよりも操舵反力トルクセンサ１２の方が高い。本実施の形態には、第１の実施の形態と同様の効果に加えて、より信頼性が高い操舵反力トルクセンサ１２を用いて操舵アシスト機構７の位置制御を行うことができるという利点もある。

３．その他の実施の形態
第１の実施の形態及び第２の実施の形態において、操舵アシスト機構回転角センサ１１に代えて、操舵アシスト機構７のモータ８の位置を検出するモータ回転角センサを用いても良い。操舵アシスト機構７の位置θは、以下の式３によりモータ８の位置から算出することができる。式３において、θ_Ｍはモータ８の位置（ｒａｄ）であり、Ｒ_Ｇは減速ギヤ機構９の減速比である。この場合、モータ回転角センサを操舵アシスト機構回転角センサの一部として把握することもできる。
θ＝θ_Ｍ／Ｒ_Ｇ ・・・式３

２ ステアリングホイール
３ ステアリングシャフト
４ 連結シャフト
５ ラックアンドピニオン機構
６ ラックシャフト
７ 操舵アシスト機構
８ モータ
９ 減速ギヤ機構
１０ ステアリングホイール回転角センサ
１１ 操舵アシスト機構回転角センサ
１２ 操舵反力トルクセンサ
２０ 制御装置
２１ プロセッサ
２２ メモリ
３０，３６ ステアリングホイール位置取得部（取得部）
３１ 操舵反力トルク目標値設定部（設定部）
３２ 操舵アシスト機構位置目標演算部（演算部）
３３ 調停部
３４ 操舵アシスト機構位置制御部（制御部）
３５ 操舵アシスト駆動部
１０１，１０２ 電動パワーステアリング装置

Claims (4)

1. モータにより動作する操舵アシスト機構を有し、運転者によるステアリングホイールの操作を前記操舵アシスト機構によって補助する電動パワーステアリング装置において、
   前記電動パワーステアリング装置は制御装置を備え、
   前記制御装置は、
   前記ステアリングホイールの中立位置を原点とした絶対角度を表す回転角で前記ステアリングホイールの位置を取得する取得部と、
   前記取得部で取得された前記ステアリングホイールの位置に基づいて前記ステアリングホイールに作用する操舵反力トルクの目標値を設定する設定部と、
   前記ステアリングホイールの位置と前記操舵反力トルクの目標値とに基づいて前記操舵アシスト機構の位置目標を演算する演算部と、
   前記操舵アシスト機構の位置目標に従って前記モータをフィードバック制御する制御部と、を備え、
   前記設定部は、
   前記ステアリングホイールの位置を示す前記回転角の大きさが大きいほど前記操舵反力トルクの目標値を大きく設定することと、
   前記運転者からの操舵感要求を含む前記電動パワーステアリング装置に作用する外的要因に応じて前記操舵反力トルクの目標値を補正することと、を行うように構成されている
   ことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記設定部は、前記電動パワーステアリング装置を備える車両の車速が高いほど前記操舵反力トルクの目標値を小さく設定することをさらに行うように構成されている
   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. 前記電動パワーステアリング装置は、前記ステアリングホイールの位置を検出するステアリングホイール回転角センサを有し、
   前記取得部は、前記ステアリングホイール回転角センサによって検出された前記ステアリングホイールの位置を取得する
   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。
4. 前記電動パワーステアリング装置は、前記操舵アシスト機構の位置を検出する操舵アシスト機構回転角センサと、前記ステアリングホイールに作用する操舵反力トルクを検出する操舵反力トルクセンサとを有し、
   前記取得部は、前記操舵アシスト機構の位置と前記操舵反力トルクとに基づいて推定された前記ステアリングホイールの位置を取得する
   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。

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