JPH0613297B2 - 電動パワ−ステアリング装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、自動車などにおけるパワーステアリング装置
に係り、特に操舵フイーリングに優れたパワーステアリ
ング装置に関する。

〔発明の背景〕

ユーザー層が多岐にわたる自動車などにおいては、大形
車から小形車までパワーシテアリングの装備が広く行な
われており、疲労の軽減とそれによる安全運転の確保に
役立つている。

ところで、このパワーステアリング装置としては、従来
から主として液圧式のものが用いられている。しかし
て、近年にいたり、制御内容の豊富さや省エネルギー面
での効用に着目して電動式のパワーステアリング装置が
実用に供されるようになつてきた。

そして、この電動式のパワーステアリング装置において
は、それに用いる電動式のアクチユエータに要求される
大きな操作力を得るため、このアクチユエータとして電
動機を用い、その出力を減速して最終的な補助操舵用の
操作力を得る方式のものが主として採用されるようにな
つている。

しかして、この結果、従来の電動式パワーステアリング
装置においては、補助操舵力が高速回転する電動機によ
り減速機構を介して与えられることから、この電動機の
慣性と、減速機構の出力側から電動機をから回しする場
合に与えられる大きな摩擦抵抗とによつて操舵フイーリ
ング上極めて好ましくない特性が、操舵ハンドルの操作
に現われてしまうという欠点があつた。

このうち、電動機の慣性により操舵ハンドルを操作した
ときに現われる、操舵フイーリグ上好ましくない特性に
ついては、例えば特開昭５５−７６７６０号公報などで
提案されているように、電動機の制御に微分特性を与え
る方法が考えられ、かなりの操舵フイーリング改善効果
が期待される。

しかしながら、この方法では、微分回路などを余分に必
要とし、微分特性の付与はさらにノイズに対する新たな
配慮を必要とすることになつてコストアップとなり易
く、上記した摩擦抵抗による操舵フイーリングの悪化に
ついては何らの改善効果が期待できず、全体としては充
分な操舵フイーリングの改善を得ることができない。な
お、この摩擦抵抗による操舵フイーリグの悪化は、舵角
がゼロ（中立位置）以外のときに本来現われるべき筈の
復元力の著しい低下、ないしは消滅という形で現われる
ものである。

また、ハンドルに操舵力を加えた場合、モータによつて
アシスト力を付加する訳であるが、モータには慣性があ
るため、モータの回転数の２乗に比例するモータの慣性
エネルギーを付加してやらないとモータを加速するため
には運転者がハンドルの操舵力でひっぱってやらなけれ
ばならないし、停止するときは運転者がハンドルを介し
て止めてやらなければならない。特にハンドルを早く廻
してやとうとするとモータの必要回転数に達するまでの
時間が負荷となり手にシヨツクを感じる。この負荷分を
補償するために前述の如く微分を用いた制御回路があ
る。ところが、この方法によるとモータに必要な加速・
減速のエネルギーを考慮していないため転舵速度によつ
て補償されるエネルギーが不足するという欠点を有して
いる。

〔発明の目的〕

本発明は、ハンドルの操舵スピードに充分に追従するこ
とのできる電動パワーステアリング装置を提供すること
にある。

〔発明の概要〕 本発明は、モータの回転数が増加するにつれて加速トル
クが所定値から漸減するモータ加速関数及びモータの回
転数が増加するにつれて逆制動トルクが漸増するモータ
減速関数を設け、ハンドル操舵力の増加減少に対しこれ
らの関数を用いてモータ速度制御することによりハンド
ルの操舵スピードに充分に追従することができるように
しようとするものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明によるパワーステアリング制御装置を、図
示の実施例により詳細に説明する。

第１図は本発明を自動車用電動パワーステアリングシス
テムに適用した場合の一実施例で、１は操舵ハンドル
（以下、単にハンドルという）、２はハンドル軸、３は
ピニオン、４はラツク、５は転向用のタイヤ（車輪）、
６はトルクセンサ、７はパワーアシスト用の電動機、８
は減速機構、９はピニオ、１０は舵角セサ、１１は制御
装置である。なお、Ｂは電源用のバツテリである。

この実施例は、いわゆるラツク＆ピニオン方式のもの
で、運転者によつてハンドル１に与えられた操舵力はハ
ンドル軸２からピニオン３を介してラツク４に伝達さ
れ、タイヤ５を所定の舵角に動かす。

トルクセンサ６は、ハンドル１を運転者が回動させたと
き、このハンドル１からハンドル軸２を介してピニオン
３に与えられるトルクを検出し、そのトルクの大きさを
表わす信号τを発生する働きをするもので、例えば、ハ
ンドル軸２に取付けた歪ゲージもしくはハンドル軸２に
ねじれバネ機構を設け、このねじれ量を検出する可変抵
抗器などから構成されたもので、例えば第２図に示すよ
うな特性のものとなつている。

電動機７は歯車装置などからなる減速機構８とピニオン
９を介してラツク４に補助操舵力を与える電動式のアク
チユエータとして動作する。

舵角センサ１０はタイヤ５の舵角（転向角）を検出し、
自動車が直進状態、つまりタイヤ５の転向角が中立の位
置にあるときの舵角をゼロとして、例えば第３図に示す
ような特性にしたがつて舵角を表わす信号θを発生する
働きをするもので、タイヤ５の転向に伴なつて回動する
部材の回動角を検出する可変抵抗器などからなるロータ
リーエンコーダや、直線運動をする部材の動きを検出す
るリニヤーエンコーダなどで構成されたものである。

このパワーステアリング装置に用いられる電動機７は、
第４図に示す如きトルク一回点数特性を有している。電
動機７の電機子電流Ｉが大きいときは回転数に対してト
ルク特性は第４図Ｃ→Ｄ→Ｆ→Ｇとなる。また，電機子
電流Ｉが小さいときは、回転数に対してトルク特性は、
Ｅ→Ｆ→Ｇとなる。

この電動機７の電機子電流Ｉと回転数、トルクとの特性
は第５図に示す如きものとなつている。

第６図は制御装置１１の一実施例で、トルク関数回路２
１、復元力関数回路２２、加速・制御判定回路２３、加
速関数回路２４、制御関数回路２５、切換判定回路２
６、トルク通流率変換回路２７、チヨツパ制御回路２
８、電動機制御回路２９、ロツク検出回路３０から構成
されている。

次に、動作について説明する。

運転者によつてハンドル１が操作され、ハンドル軸２に
トルクが与えられると、それが第２図の特性にしたがつ
てトルクセンサ６によつて検出され、トルク信号τが出
力される。

このトルク信号τはトルク関数回路２１、トルク流通率
変換回路２７を介してチヨツパ制御回路２８に入力さ
れ、そのときの絶対値に対応したデューテイ比のパルス
信号ＣＰに変換されて電動機制御回路２９に入力され
る。このとき、切換判定回路２６では、そこに入力され
た信号の正負に応じて右回転信号Ｒ又は左回転信号Ｌの
いずれか一方を出力し、これらの信号Ｒ，Ｌを電動機制
御回路２９に入力する。

なお、トルクセンサ６から発生されるトルク信号τの極
性は例えばハンドル１を右回り（時計方向）に回動した
ときに現われるトルクに対して正極性となり、左回り
（反時計方向）に回動させたときに現われるトルクに対
して負極性となるようにしてあるものである。従つて、
トルク信号τが正となつているときには、自動車は右に
転向し、負となつているときには左に転向することにな
る。

次に、トルク関数回路２１について説明する。このトル
ク関数回路２１は、第７図(A)に示す如き補正トルク出
力特性ａ，ｂになるように電動機７の回転数に応じて補
正分のトルク値を出力するものである。この出力特性ａ
は電動機７のハンドル操作スピードが大きいときで、第
７図(A)のｂがハンドル操作スピードが小さい場合であ
る。なお、第７右(A)のｃは従来の微分による補正値を
示している。このような補正トルク値を加算してやる
と、第７図(B)のａに示す如く操舵力を加えたときに電
動機７の慣性を充分補償すことができる。第７図(B)の
ｃは従来の微分法による操舵力特性であり、ハンドル操
作スピードにより異なる慣性の影響を除去することがで
きない。

第８図には、電動機制御回路２９の一実施例が示されて
おり、２個のパワートラジスタＴＲ１，ＴＲ２（以下、
単にＴＲ１，ＴＲ２と称する）と、フリーホイールダイ
オードＤ１，Ｄ２とから構成されている。ＴＲ１には左
回転信号Ｌとパルス信号ＣＰの論理積による信号が、そ
してＴＲ２には右回転信号Ｒとパルス信号ＯＰの論理積
による信号がそれぞれ供給されるようになつており、こ
れにより、右回転信号Ｒが現われているとき、つまりト
ルク信号τが正極性となつていたときにはＴＲ２がオン
し、電動機７には図の矢印方向に電流が供給され、この
電流の大きさはパルス信号ＣＰのデューテイ比で制御さ
れるようになる。また、トルク信号τが負極性で左回転
信号Ｉが現われているときには、ＴＲ１がオンし、電動
機７には図の矢印と反対の方向に電流が供給され、この
ときの電流値は同じくパルス信号ＣＰのデユーテイ比で
制御されることになる。

そして、これらいずれの場合でも、電流機７に流れてい
る電流の大きさが電流検出器によつて検出され、フイー
ドバツク電流信号としてチヨツパ制御回路２８に供給さ
れるようになつており、これによりトルク流通率変換回
路２７から与えられている信号に対応した電流が電動機
７に正確に供給されるようにするためのフイードバツク
ループが形成されるようになつている。

なお、ダイオードＤ１，Ｄ２はＴＲ１又はＴＲ２がパル
ス信号ＣＰによつてチヨツパ制御されオフしたときの環
流路を与える働きをするものである。

従つて、運転者がハンドル１を操作すると、そのとき加
えられた操作力（操舵力）の方向とその大きさに応じて
所定値の電流が所定の方向から電動機７に供給され、こ
れにより電動機７が発生するトルクがピニオン９からラ
ツク４に与えられ、補助操舵力となるため、パワーステ
アリング装置としての機能が得られることになる。

ところで、運転者がハンドル１を操作したときに必要な
操舵力の大きさは、あまり小さくても運転しずらくな
り、このため、経験上などから、トルクセンサ６の信号
τに対して第９図のようなオフセツトをもつた高次関数
特性をもつて補助操舵力、つまり電動機７の電流値が定
まるようにしてやるのが操舵フイーリング上好ましいこ
とが知られている。

そこで、このために設けられているのがトルク関数回路
２１で、入力信号に対して第９図の特性にしたがつた出
力信号を発生するようになつている。なお、実際には、
第９図のような滑らかな特性を与えるような関数回路は
コストアツプとなつたり、実現が不可能となつたりする
ので、例えば第１０図のような折線近似になるトルク関
数回路２１を用いるようにしてやればよい。また、この
折線近似に代えて第１１図に示すような段階近似による
ものを用いても実施可能である。

次に、タイヤ５を転向させるために必要な力、いわゆる
操舵力は、タイヤと走行路面の間での転向方向での摩擦
抵抗によつて決まるが、この摩擦抵抗は車速によつて変
化し、高速になるにつれて減少する。従つて、この操舵
力は車速が小さいとき程大きくなり、通常、据え切りと
呼ばれる車速が零のときには極めて大きくなつてほとん
どハンドル操作が不可能なくらいになる。

しかして、実用上からは、自動車の車庫入れや縦列駐車
を行うときには、この据え切り操作が必要である。

一方、高速時にハンドル操作力が小さくなるとむしろ危
険になるので、高速時には補助操舵力を小さくするか、
或いは与えないようにするのが望ましい。

そこで、このためにトルク関数回路２１において、車速
センサ２０から車速信号υを入力し、トルク信号τに対
して所定の演算処理を施して第12図に示すようにトルク
関数回路２１で与えられる特性のオフセツトの幅が車速
信号υに応じて広くなるようにしている。

ところで、電動機７を逆方向にかけるブレーキトルク、
すなわち逆制御トルクと電動機７の回転数との関係は第
１３図に示す如き特性となつている。すなわち、電動機
７の回転数が大きい程逆制動トルクは大きくなる。した
がつて、ハンドルを操作してある位置にとめる力（電動
機に制御を加えて止めるときのトルク）が電動機７の回
転が大きい程高く必要である。また、電動機７の回転数
に対する加速トルク値が第１４図に示されており、電動
機回転数が小さいと加速トルクを大きくする必要があ
る。

次に第６図図示復元力関数回路２２について説明する。
この復元力関数回路２２は、タイヤ５に対して元に戻す
力（復元力）を与えるための電動機７の制御信号を出力
する回路である、戻りトルクと舵角（舵角センサ出力）
との関係は、第１５図に示す如きである。すなわち、舵
角が大きければ大きい程復元するためのトルクを大きく
必要とする。この復元特性は、パワーステアリングを設
けた操舵システムの操舵フイーリングを決める大きなポ
イントである。

即ち、自動車の操舵システムには、転向車輪のキヤスタ
効果などを利用して復元特性を与えるようにしているの
が一般的で、このためハンドル操作により所定の舵角を
与えたあとは、この復元特性によりハンドルに与えられ
る復元力を利用した運転操作が広く行なわれ、これが良
好な操舵フイーリングを与えるポイントとなつており、
従つて、パワーステアリングの装備によつても、この復
元力を損なわないようにしなければならないのである。

また第６図のロツク検出回路３０は、トルクセンサ６の
出力に対して舵角センサ１０からの出力がない場合を検
出するもので、この検出がされるとクラツチ８の電磁弁
をＯＦＦする。

次に本発明の実施例に係るアシストトルク演算の動作に
ついて説明する。

第１６図には、アシストトルク演算のフローチヤートが
示されている。このフローチヤートは、１０msec毎のタ
イマ割込みによつて処理される。まず、ステツプ１００
において、トルクセンサ６の前回の値Ｔ_OLDを読み出
し、ステツプ１０１において、現在のトルクセンサ６か
らの出力値Ｔ_NEWを採り込む。次に、ステツプ１０３に
おいて、Ｔ_OLDとＴ_NEWとを比較して、トルクセンサ６の
出力値の増加分△Ｔが △Ｔ＝Ｔ_NEW−Ｔ_OLD 一定値以上か否かを判定する。このステツプ１０３にお
いて、トルクセンサの増加分が一定値より大きいと判定
するとステツプ１０４において舵角センサ１０から出力
されるため値の増加分が、トルクセンサ６の増加と時間
的に対応したある一定値より大きいか否かを判定する。
このステツプ１０４において、舵角センサの増加分が一
定値以上でない場合はステツプ１０８に移る。また、ス
テツプ１０４において、舵角センサの増加分が一定値以
上であると判定すると、ステツプ１０５においてモータ
加速計算（第７図に示す如き特性となる加速）による加
速トルク計算を行いステツプ１０８に移る。

一方、ステツプ１０３において、トルクセンサの増加分
が一定値以上でないと判定すると、ステツプ１０６にお
いて、トルクセンサの減速分が一定値以上か否かを判定
する。このステツプ１０６においてトルクセンサの減速
分が一定値以上でないと判定するとステツプ１０８に移
り、一定値以上であると判定すると、ステツプ１０７に
おいてモータ減速度計算による減速トルク計算（第１３
図に示される逆制御トルク特性に対応した）を行ないス
テツプ１０８に移る。次に、ステツプ108において、第
１２図に示す如きアシストトルクの演算を行う。

第１７図には、一連の動作をマイクロコンピユータを用
いたときのブロツク図が示されている。このときの処理
のタスクスケジユールの割込フローチヤートが第１８図
に示されている。

第１９図には具体的回路が示されている。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によればハンドルの操舵ス
ピードに充分に追従することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるパワーステアリング制御装置の一
実施例を示すシステム構成図、第２図はトルクセンサの
特性図、第３図は舵角センサの特性図、第４図は電動機
の回転数トルク特性図、第５図は電動機の電機子電流と
トルク・回転数特性図、第６図は本発明の実施例を示す
ブロツク図、第７図は加速のときの補正トルク出力を示
す特性図、第８図は第６図図示電動機制御回路の詳細回
路図、第９図は高次関数特性の一例を示す特性図、第１
０図及び第１１図は高次関数特性に対する近似特性の説
明図、第１２図は本発明の一実施例によつて与えられる
特性の一例を示す説明図、第13図は電動機の回転数と逆
制御トルクの特性図、第１４図は電動機の回転数に対す
る加速トルク特性を示す図、第１５図は復元力に関する
特性図、第１６図はアシストトルク演算の動作フローチ
ヤート、第１７図はマイクロコンピユータを用いたとき
のブロツク図、第１８図は処理のタイムスケジユールを
示すフローチヤート、第１９図は第６図図示実施例の具
体的回路図である。 １……操舵ハンドル、２……ハンドル軸、３，９……ピ
ニオン、４……ラツク、５……タイヤ、（転向車輪）、
６……トルクセンサ、７……電動機、８……減速機構、
１０……舵角センサ、１１……制御装置、２０……車速
センサ、２１……トルク関数回路、２２，２５……加算
器、２４……加速関数回路、２５……制御関数回路、２
８……チヨツパ制御回路、２９……電動機制御回路、３
０……ロツク検出回路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】操舵ハンドルに加えられた操舵力の所定の
   関数にしたがってモータを制御し、このモータにより補
   助操舵力を与えるようにした電動パワーステアリング装
   置において、上記モータの回転数が増加するにつれて加
   速トルクが所定値から漸減するモータ加速関数を設け、
   ハンドル操舵力増加中に前記モータ加速関数に従って上
   記モータの加速制御を行うようにしたことを特徴とする
   電動パワーステアリング装置。
2. 【請求項２】操舵ハンドルに加えられた操舵力の所定の
   関数にしたがってモータを制御し、このモータにより補
   助操舵力を与えるようにした電動パワーステアリング装
   置において、上記モータの回転数が増加するにつれて逆
   制動トルクが漸増するモータ減速関数を設け、ハンドル
   操舵力が減少中に前記モータ減速関数に従ってモータ減
   速制御を行うことを特徴とする電動パワーステアリング
   装置。