WO2003086837A1

WO2003086837A1 - Dispositif de direction electrique

Info

Publication number: WO2003086837A1
Application number: PCT/JP2003/004002
Authority: WO
Inventors: Toshiyuki Onizuka; Kazuo Chikaraishi; Shuji Endo
Original assignee: Nsk Ltd.
Priority date: 2002-04-15
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2003-10-23
Also published as: JPWO2003086837A1; US7426978B2; EP1495942A4; EP1495942B1; US20050217923A1; US20070080016A1; ATE538017T1; JP4296936B2; AU2003220964A1; US7159688B2; EP1495942A1

Description

明細書

電動パワーステアリング装置

技術分野

本発明は、自動車や車両の操舵系にモータによる操舵補助力を付与するようにした電動パワーステアリング装置に関し、特に減速機部に回転角センサを一体的に組込んだコンパクトな電動パワーステアリング装置に関する。

背景技術

自動車や車両のステアリング装置をモータの回転力で捕助負荷付勢する電動パワーステアリング装置は'、モータの駆動力を減速機を介してギア又はベルト等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に捕助負荷付勢するようになつている。かかる従来の電動パワーステアリング装置は、アシストトルク（操舵補助トルク）を正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行っている。フィードバック制御は、電流制御値とモータ電流検出値との差が小さくなるようにモータ印加電圧を調整するものであり、モータ印加電圧の調整は、一般的に P WM (パルス幅変調）制御のデューティ比の調整で行っている。

ここで、電動パワーステアリング装置の一般的な構成を第 12 図に示して説明すると、ハンドル（ステアリン.グホイール） 1 の軸 2は減速ギァ 3、ユニバーサルジョイント 4a及ぴ 4b、ピ-オンラック機構 5を経て操向車輪のタイロッド 6に結合されている。軸 2には、ハンドル 1の操舵トルクを検出するトルクセンサ 10 が設けられており、ハンドル 1 の操舵力を補助するモータ 20 が減速ギア（減速機） 3を介して軸 2に結合されている。パワーステアリング装置を制御するコントロールュニット 30には、パッテリ 14からイダ-シヨンキー 11及びリレー 13を経て電力が供給され、コントロールュ -ット 30 は、トルクセンサ 10 で検出された操舵トルク T、車速センサ 12 で検出された車速 Vに基いてアシスト指令の操舵補助指令値 Iの演算を行い、演算された操舵補助指令値 I に基いてモータ 20に供給する電流を制御する。

コントロールュ-ット 30 は主として C P Uで構成されるが、その C P U内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと第 13 図のようになる。例えば位相補償器 31 は独立したハードウェアとしての位相補償器を示すものではなく、 C P Uで実行される位相補償機能を示している。

コントロールユニット 30 の機能及び動作を説明すると、トルクセンサ 10 で検出されて入力される操舵トルク Tは、操舵系の安定性を高めるために位相補償器 31で位相補償され、位相補償された操舵トルク TA が操舵捕助指令値演算器 32 に入力される。また、車速センサ 12 で検出された車速 Vも操舵補助指令値演算器 32 に入力される。操舵補助指令値演算器 32 は、入力された操舵トルク TA及び車速 Vに基いてモータ 20に供給する電流の制御目標値である操舵補助指令値 I を決定する。操舵補助指令値 Iは減算器 30A に入力されると共に、応答速度を高めるためのフィードフォヮ一ド系の微分補償器 34に入力され、減算器 30A の偏差（ I 一 i ) は比例演算器 35 に入力されると共に、フィードバック系の特性を改善するための積分演算器 36 に入力される。比例演算器 35 の出力は加算器 30B に入力されると共に、微分補償器 34及ぴ積分演算器 36 の出力も加算器 30B に加算入力され、加算器 30B での加算結果である電流制御値 Eが、モータ駆動信号としてモータ駆動回路 37 に入力される。また、モータ電流はモータ電流検出回路 38で検出され、検出されたモータ電流 i は減算器 30Aに入力されている。

上述のような電動パワーステアリング装置では、ステアリングシャフトにより伝達される操舵トルクに応じた操舵補助力をモータ 20 に付与するために、その操舵トルクを検出するトルクセンサ 10 が設けられている。また、精度の高い良好な制御を実現するために、ステアリングシャフトの操舵角（回転角）を検出するための回転角センサ（舵角センサ）を設ける場合もあるが、回転角センサはセンサとして単独で独立している。つまり、ステアリング機構に後付けするような構造になっている。このような回転角センサを電動パワーステアリング装置に取付ける場合、従来はステアリング機構に外部から後付けするようにしている。そのため、ステアリング機構の構造やスペース等で回転角センサの大きさや形状が制限を受けると共に、小型化ゃコストダウンの面で問題がある。

また、回転角センサを設けない場合には、他のセンサ信号を利用して推定等を行っているため、制御の良好性の点で問題がある。

更に、電動パワーステアリングのモータとしてブラシレス D Cモータを使用する場合が多く、ブラシレス D Cモータは界磁電流の切換タイミングを測る必要があるため、ロータの回転角位置を検出するロータ位置センサを具備している。例えばモータ内の着磁回転体の回転を磁気検出素子（ホール素子等）によって、パルス信号として検出している。かかるロータ位置センサはィンクレメンタルな情報であり、作動開始からのモータの相対的な回転位置を検出することは一般的に可能であるが、絶対値の検出は不可能である。

また、ブラシレス D Cモータを使用した電動パワーステアリング装置においては、作動開始位置は運転者が常にハンドルを中央にした状態でイダ-ションキーを O Nするとは限らないので、システム作動直後の絶対的なステアリングシャフトの回転角を判別することはできない。しかしながら、作動後に、ある一定条件を満たす場合をステアリングシャフトの中立位置と識別してリセットすることで、識別後のステアリングシャフトの絶対角を検出することができる。ある一定条件とは、例えば運転者による操舵トルクが一定値以下でかつ一定時間が経過した直進状態と認識できる場合等が考えられる。しかし、走行を開始した直後にステァリングシャフトの絶対角を識別することは困難であり、そのステアリングシャフトの絶対回転角情報を基に、車両のスリップ等を防止する車両の姿勢制御装置等においては、絶対角度が認識できるまで充分な機能を発揮できないという問題があった。

本発明は上述のような事情によりなされたものであり、本発明の目的は、電動パワーステアリング装置において、回転角センサを機械的な制限を受けることなく内蔵式に標準装備するようにし、簡易な構造でしかも分解能の高い角度検出が可能な回転角センサを具備した電動パワーステアリング装置を提供することにある。インクレメンタル方式の回転角センサのみならず、特に有用な絶対値方式の回転角センサをコンパクトな構成によって提供することをも目的としている。発明の開示

本発明は、モータの駆動力を減速機を介して、伝達機構によりステアリングシャフト又はラック軸に補助負荷付勢するようになっている電動パワーステアリング装置に関し、本発明の上記目的は、前記減速機に回転角センサを一体として組込むことによって達成される。

また、前記回転角センサを非接触型絶対値方式センサとすることにより、或いは前記回転角センサを接触型絶対値方式センサとすることにより、或いは前記回転角センサを非接触型ィンクレメンタル方式センサとすることにより、或いは前記回転角センサを接触型ィンクレメンタル方式センサとすることにより、或いは前記モータがブラシレス D Cモータであり、前記ブラシレス D Cモータにロータ位置センサが設けられており、前記回転角センサと前記ロータ位置センサとの組合せにより検出回転位置の分解能を高めることにより、或いは前記回転角センサの被検知部を前記減速機のホイール部に設け、検知手段を対向して固定された基板に設けることにより、或いは前記回転角センサの被検知部を前記減速機のホイール部の芯金に設けることにより、或いは前記回転角センサの被検知部を前記減速機のホイール部の歯部に設けることによって、上記目的はより効果的に達成される。

更に本発明は、ブラシレス D Cモータにより減速機を介してステアリングシャフト又はラック軸に補助負荷付勢するようになっている電動パワーステアリング装置に関し、本発明の上記目的は、前記減速機にインクレメンタル方式の回転角センサを一体として組込み、前記ブラシレス D Cモータのロータ位置センサの出力と、前記回転角センサの出力と、前記減速機の減速比と、前記ブラシレス D Cモータの回転速度との関係に基づき、前記ステアリングシャフト又はラック軸の回転角を絶対値で検出することによって達成される。

前記回転角センサの被検知部を前記減速機のホイール部の芯金に設けることにより、或いは前記回転角センサの被検知部を前記減速機のホイール部の歯部に設けることにより、或いは前記回転角センサを非接触式の磁気センサで構成することにより、本発明の上記目的はより効果的に達成される。図面の簡単な説明

第 1図は本発明に係る電動パワーステアリング装置の減速機部を示す機構図である。

第 2図はインクレメンタル方式を説明するためのパルス出力図である。第 3図は絶対値方式を説明するためのパルス出力図である。

第 4図は絶対値方式の着磁部の一例を示す部分図である。第 5図は絶対値方式を説明するためのパルス出力図である。第 6図は本発明の電動パワーステアリング装顰の他の例を示す機構図である。

第 7図は絶対値方式の回転角センサを説明するための図である。

第 8図は絶対値方式の回転角センサを説明するための図である。

第 9図は絶対値方式の回転角センサを説明するための図である。

第 10図は絶対値方式の回転角センサを説明するための図である。第 11図は絶対値方式の回転角センサを説明するための図である。第 12図は一般的な電動パワーステリングの構成を示す図である。第 13 図は従来の電動パワーステアリング装置の制御装置の構成を示すブロック図である。発明を実施するための最良の形態

本発明では、電動パワーステアリング装置の減速機のホイール部に回転角センサの被検知部を組み込むと共に、固定された基板に被検知部に対向する態様で検知手段を設けており、回転角センサ装着のための特別なスペースを必要とするものではない。減速機に一体的に回転角センサを組込んだコンパクトな内臓式としているため、 /J)型化が可能であると共に、標準装備化も容易になる。また、ブラシレス D Cモータに具備されているロータ位置センサの出力と組み合わせることにより、減速機の減速比に応じて回転角検出の分解能を上げることができる。回転角センサは非接触型でも接触型でも良く、またィンクレメンタル方式でも絶対値方式でも良い。本発明では、特に有用な絶対値方式の回転角センサを具備したコンパクトな電動パワーステアリング装置を提供する。

以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

第 1図は本発明に係る電動パワーステアリング装置の減速機部 100 を示す機構図であり、第 1図（A ) は減速機部 100 の平面断面機構図であり、第 1図（B ) は減速機部 100 の側面一部断面機構図である。モータ（図示せず）のロータ軸 102 に連結されたウォーム 101 は、円盤状のウォームホイール 110 の芯金 112 に周設された歯部 111 に嚙合され、モータ回転が減速されるようになっている。円盤状の芯金 112 は一般的に鋼材で成り、芯金 112 に周設された歯部 111 は一般的に剛性強化された合成樹脂で成っている。ウォームホイール 110 はハンドルコラム 120 に連結されており、ウォーム 101 の回転が歯部 111 との嚙合で所定の減速比で減速され、ハンドルコラム 120 に伝達されるようになつている。ウォームホイール 110 の芯金 112 には、磁気力を発生するための被検知部としての矩形状の着磁部（N極又は S極） 113 が所定幅かつ所定間隔に円形状に配設されており、ゥオームホイール 110 の表面に対面するように円盤状の基板 121 が固定部 123 に設けられており、基板 121 には着磁部 113 を非接触で検出し、電気信号を出力する検知手段としてのホール I C 122が設けられている。

本例では、着磁部 113 は芯金 112 の表面から突出した形状で設けられているが、芯金 112 に永久磁石を埋設した構造であっても良い。なお、第 1図（A ) では配設された着磁部 113 の一部（ 3個）を示してレヽる。

このような構成において、操舵等によってウォーム 101 を介してゥオームホイール 110 が回転すると、ウォームホイール 110 の芯金 112 に設けられている着磁部 113 の回転が、基板 121 のホール I C 122 によって非接触で検出され、等速回転した場合には第 2図に示すような等間隔のパルス列の信号を出力する。パルス列の信号は回転角に応じて出力されるので、この出力パルス列のパルス数を可逆カウンタ等で計数することによって、回転角 0を検出することができる。即ち、例えば図示 2 の右方向に回転した場合にパルス数を加算し、逆方向に回転した場合にパルス数を減算することによって回転位置 0を計測することができる。本例は着磁部 113 が等間隔にかつ円形状に配設されたインクレメンタル方式を示しているが、着磁部 1 1 3 の幅を変えかつ複数段とすることにより絶対値方式の回転角センサを構成することができる。

第 3図（A ) 〜（C ) は絶対値方式の場合の回転角センサの出力パルス例を示しており、これらパルス列（本例では 3段 = 3 ビット）に対応した配置で、着磁部 113 を第 4図に示すように同心円状に複数段（本例では 3段 = 3 ビット）設ければ良い。即ち、着磁部 113 を同心円状に 3段にかつ第 3図に示すパルス幅の関係で配設すると共に、各同心円に対応した半径位置の対向部に 3個のホール I Cを配設する。このような構成とすることにより、 3個のホール I Cが各 3段の着磁部 113 を検知して第 3図に示すようなパラレルな電気信号を出力する。これによりウォームホイール 110 が回転すると、第 3図（A ) 〜（ C ) に示す各段のタイミングで電気信号がパラレル（ 3 ビット）に出力されるので、 3 ビットの絶対値で回転角 Θ を検出することができる。なお、第 3図及び第 4図では 3段（ = 3 ビット）の例を示しているが、段数（ビット数）は任意であり、コードも所定コード（純 2進、 B C D、グレイ等）で構成することができる。

また、モータがブラシレス D Cモータの場合には、ロータ位置を検出して転流制御するためのロータ位置センサがモータに取付けられており、ロータ位置センサからのパルス信号と、回転角センサからのィンクレメンタルなパルス列信号とを組み合わせることにより絶対位置の検出が可能である。第 5図はその様子を示しており、第 5図（A ) は回転角センサからのパルス列出力であり、第 5図（B ) はモータからのロータ位置センサのパルス列出力を示している。一般的には回転角センサからのパルス列出力と、ロータ位置センサからのパルス列出力とは同期がとられていないため、両者の間にランダムな位相差 Θ 。、 0 い …を生じる。従って、位相差 0 。、 Θ i、 …を予め検出してメモリに記憶しておき、実際のパルス列のパルスを計数して回転角を検出するときに、位相差 Θ 。、 0 、 …の位置との対応をとることによって絶対値の回転角を検出することができる。

第 6図は本発明の他の実施例を示しており、本例では、ウォームホイール 110 の芯金 112 に同一サイズの永久磁石 114が被検知部として等間隔にかつ円形状に埋設されており、埋設された永久磁石 114 が脱落しないようにする非磁性体のプレート 115 がその表面に層設されている。プレート 115 (永久磁石 114) に対向するように円盤状の基板 121 が固定部に固定され、基板 121 には永久磁石 114 の磁力を非接触で検知する検知手段としてのホール I C 122が設けられている。なお、第 6 図（A ) では永久磁石 114の配設の一部を示している。

かかる構成においても操舵等によってウォームホイール 110 が回転すると、ウォームホイール 11の芯金 112に埋設されている永久磁石 115 が基板 121 のホール I C 122 によって検出され、その出力パルス列のパルス数を力ゥンタ等で計数することによって、回転角 0を検出することができる。

なお、永久磁石 114 が第 6図（A ) に示す形状及ぴ配列の場合にはインクレメンタル方式の回転角センサとなるが、永久磁石を例えば第 4 図に示すような配列とすることにより、絶対値方式とすることができる。次に、ブラシレス D Cモータのロータ位置センサ（インクレメンタル）と、構成が簡易な第 1図（A ) 又は第 6図（A ) で示すようなインクレメンタル方式の回転角センサとを組み合わせて、絶対角度を検出する場合の実施例を説明する。ブラシレス D Cモータのロータ位置センサの出力信号（第 7図（A ) に示すように n 。パルス// 1回転（ = 360 度））のうち、絶対角検出に使用する等間隔の信号の 1回転当りのパルス数を n ( n i = η。でも可）とする。そして、ブラシレス D Cモータに連結される減速ギアの歯数（条数）をステアリングシャフト上に固定される減速ギアの歯数を Ζ ₂とし、ステアリングシャフトに配設されるインクレメンタル方式の回転角センサの 1回転当りのパルス数を η ₂ (≠ η _χ X Ζ ₂ / Ζ _χ ) とする。例えばブラシレス D Cモータのロータ位置センサのロータ 1回転当りのパルス数を n。= 8 とし、このうちステアリング角度検出用に使用するパルス信号を 1回転当り n = 4パルスとし、減速機の歯数を Z！ = 2 , Z ₂ = 37 とすると、ブラシレス D Cモータの絶対角検出に利用するパルスは、ステアリングシャフト 1回転当り n J X Z ₂ / Z！ = 74 パルスとなる。これに対し、ステアリングシャフト上に独立して設けたインクレメンタル方式の回転角センサのパルス数を、第 7図（B ) に示すように n ₂ = 75 (≠74) と設定する。

上述のように設定すると、一方のパルス（例えば第 7図（A ) ) のピツチ（360/74度）と他方のパルス（例えば第 7図（B ) )のピッチ（360/75) は異なるので、一方のパルスに対する他方のパルスの位相差は絶対角度 ( de g ) に応じて少しずつずれて行く。つまり、一方のパルスに対する隣り合う他方のパルスとの位相差が分かれば、絶対角度（deg) を検出することができる。

第 8図はその様子を示しており、ステアリング角度 0に対するパルス数 nの関係を、ステアリングシャフトからのセンサパルス数 Aと、ブラシレス D Cモータからのセンサパルス数 Bとについて示している。このような特性 A及び Bにおいて、両パルス数の差分が " 1 " を超えなければ、それぞれの特性の位相差からステアリング角度の絶対値を検出することができる。そして、パルス数の差分が丁度 " 1 " (位相差 360 de g) となるステアリング角度が 360deg であれば 1回転型絶対値センサであり、 1080de gであれば 3回転型絶対値センサとなる。

本例においては、ステアリングシャフトが 1回転すると位相差はピッチを追い越してしまうので、位相差と絶対角度との 1回転周期で繰り返すこととなり、 1回転型の絶対角度センサとすることができる。更に、 _{n i} 、 n ₂ 、 Z い Z ₂が次の関係を満たすようにすれば、多回転型絶対角度センサとすることができる。即ち、パルス数 n 丄は因数に歯数 Z 丄を持たず、かつ歯数 Z ₂は因数に歯数 Z iを持たない。例えば _{η ι} = 4 、 n ₂ = 73 , Z ！ = 3 , Ζ ₂ = 55 とすると、ステアリングシャフトが 3回転すると位相差はピッチを追い越すので、 3回転型の絶対角度センサとすることができる。

第 9図は ^ 、 η ₂ = 74, Ζ ！ = 2 , Ζ ₂ = 37 の例である。第 10 図は！！：、 η ₂ = 73 , Ζ！ = 3 _Ν Ζ ₂ = 55の例である。

ここにおいて、モータの回転状態を別途計測し、角加速度が所定値以下でほぼ一定角速度状態と判断されたときに、その時点での一方のパルスが計測されてから他方のパルスが計測されるまでの時間を計測すれば、モータの回転速度と両パルスの計測時間とからパルスの位相差を計算することができ、訐算された位相差から予め分かっている位相差と絶対角度の関係から、当該時点における絶対角度を導くことができる。

第 11 図（Α ) はブラシレス D Cモータからのセンサパルス波形を示しており、第 11 図（Β ) はステアリングシャフトからのセンサパルス波形を示しており、時間 t iはモータ回転速度に依存し、位相差 t ₂を時間でみるとモータ回転速度に依存する。そして、モータが所定値以下の一定角速度で回転していると判断したとき、時間で時間 t ₂を除算して正規化すれば位相差（de g)が求まり、予め分かっている位相差と絶対角度の関係式から絶対角度を求めることができる。

上述では、着磁部又は永久磁石の磁力をホール I cで非接触に磁気検出することによって回転角を検出するようになっているが、光又は静電気による非接触式センサも可能であり、光の場合には発光ダイォードゃフォトダイオード等を用いる。また、導電部材ゃブラシ等を用いた接触式の回転角センサであっても良い。更に、上述の実施例ではホイール部の芯金に被検知部を設けるようにしているが、歯部に設けることも可能である。産業上の利用可能性 '

上述したように、本発明によれば、電動パワーステアリング装置の減速機のホイール部に回転角センサの被検知部を組み込むと共に、固定された基板に被検知部に対向する検知部を設けているので、回転角センサ装着のための特別なスペースを必要とせず、電動パワーステアリング装置の標準化にも容易に対応できる。また、ブラシレス D Cモータの場合には、ブラシレス D Cモータに具備されているロータ位置センサの出力と組み合わせることにより、減速機の減速比に応じて回転角検出の分解能を上げることができる。

また、本発明によればィンクレメンタル方式の回転角センサのみなず、絶対値方式の回転角センサも簡易な構成で容易に得ることができる。

Claims

請求の範囲

1 . モータの駆動力を減速機を介して、伝達機構によりステアリングシャフト又はラック軸に補助負荷付勢するようになっている電動パワーステアリング装置において、前記減速機に回転角センサが一体として組込ま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 . 前記回転角センサが非接触型絶対値方式センサである請求の範囲第 1項に記載の電動パワーステアリング装置。

3 . 前記回転角センサが接触型絶対値方式センサである請求の範囲第 1 項に記載の電動パワーステアリング装置。

4 . 前記回転角センサが非接触型ィンクレメンタル方式センサである請求の範囲第 1項に記載の電動パワーステアリング装置。

5 . 前記回転角センサが接触型ィンクレメンタル方式センサである請求の範囲第 1項に記載の電動パワーステアリング装置。

6 . 前記モータがブラシレス D Cモータであり、前記ブラシレス D Cモータにロータ位置センサが設けられており、前記回転角センサと前記口ータ位置センサとの組合せにより検出回転位置の分解能を高めた請求の範囲第 1項乃至第 5項のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置 ₍

7 .前記回転角センサの被検知部が前記減速機のホイール部に設けられ、検知手段が対向して固定された基板に設けられている請求の範囲第 6項に記載の電動パワーステアリング装置。

8 . 前記回転角センサの被検知部が前記減速機のホイール部の芯金に設けられている請求の範囲第 7項に記載の電動パワーステアリング装置。

9 . 前記回転角センサの被検知部が前記減速機のホイール部の歯部に設けられている請求の範囲第 7項に記載の電動パワーステアリング装置。

10. ブラシレス D Cモータにより減速機を介してステアリングシャフト又はラック軸に補助負荷付勢するようになっている電動パワーステアリング装置において、前記減速機にィンクレメンタル方式の回転角センサを一体として組込み、前記ブラシレス D Cモータのロータ位置センサの出力と、前記回転角センサの出力と、前記減速機の減速比と、前記ブラシレス D Cモータの回転速度との関係に基づき、前記ステアリングシャフト又はラック軸の回転角を絶対値で検出するようになつていることを特徴とする電動パワーステアリング装置。