説明

電動パワーステアリング装置

【課題】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する。
【解決手段】操舵軸に接続された電動モータ13と、操舵トルクに応じて電動モータを駆動する制御装置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センサ15と、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センサ手段14と、モータ回転角に基づいて算出した操舵軸の電動モータが接続された部分の回転角と操舵角との差に基づいて操舵トルクを推定する操舵トルク推定部手段32とを有し、操舵トルク推定部は、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回操舵角とが等しい場合には、モータ回転角に基づいて今回操舵角を補正する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電動パワーステアリング装置に関する。
【背景技術】
【0002】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2005−219573号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
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。
【0005】
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。
【課題を解決するための手段】
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【発明の効果】
【0012】
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。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】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
【図2】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
【図3】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
【図4】制御装置による目標電流の設定手順を示すフロー図
【図5】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
【図6】補正操舵角θs´を示すグラフ
【図7】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
【発明を実施するための形態】
【0014】
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。
【0015】
<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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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に設定する(S12)とともに、基準操舵角θs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に設定する(S14)。その後は、ステップS15へと進む。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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)。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【符号の説明】
【0040】
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

【特許請求の範囲】
【請求項1】
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。
【請求項2】
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。
【請求項3】
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。
【請求項4】
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。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2012−101674(P2012−101674A)
【公開日】平成24年5月31日(2012.5.31)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−251694(P2010−251694)
【出願日】平成22年11月10日(2010.11.10)
【出願人】(000005326)本田技研工業株式会社 (23,863)
【Fターム(参考)】