JP2005170257A

JP2005170257A - 電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP2005170257A
Application number: JP2003413874A
Authority: JP
Inventors: Toshiya Senda; 俊也千田; Kiyonori Asano; 清徳浅野
Original assignee: Showa Corp
Current assignee: Showa Corp
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】高出力の電動パワーステアリング装置であっても摩擦トルクの影響を十分軽減することができる電動パワーステアリング装置を供する。
【解決手段】操舵トルク検出手段により検出された操舵トルクに基づきモータを駆動制御して人力をアシストする操舵アシスト制御手段41と、前記モータの慣性トルクを補償する慣性トルク補償制御手段42とを備えた電動パワーステアリング装置において、ステアリング系の摩擦トルクを専用に補償する摩擦トルク補償制御手段50を備えた電動パワーステアリング装置。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動車に搭載される電動パワーステアリング装置に関し、特に同装置のモータの制御に関する。

電動パワーステアリング装置は、ステアリング操作時に大きな抵抗なく人力をアシストすべくモータが操舵トルクに応じて駆動制御される。
さらに、急操舵時において慣性によりステアリング操作が重くなるのを軽減するために慣性トルク補償制御が行われる例がある（例えば、特許文献１参照）。
特許第２９６２６８３号公報

しかるに、微操作時の引っ掛かり感等は、ステアリング系の摩擦トルクの影響によるものである場合があり、操舵フィーリングに悪影響を与える。
そこで、摩擦トルクについては、慣性トルク補償制御における最終的な制御電流値を増加させることで、その影響を軽減することが行われている。

しかし、慣性トルク補償制御は本来モータの慣性トルクを補償するためのものであり、したがって摩擦トルク軽減の目的で慣性トルク補償電流を上げ過ぎると、慣性を過剰に補償することになり、ハンドルのふらつき感が発生したり、あるいはモータ電流がノイジー（微振動）となり、操舵フィーリングが悪化してしまう。

このように従来技術では、摩擦トルクの軽減に限界が存在するため、摩擦トルクの大きい高出力の電動パワーステアリング装置などでは、摩擦トルクの影響を十分軽減することができない。

本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、その目的とする処は、高出力の電動パワーステアリング装置であっても摩擦トルクの影響を十分軽減することができる電動パワーステアリング装置を供する点にある。

上記目的を達成するために、本請求項１記載の発明は、操舵トルク検出手段により検出された操舵トルクに基づきモータを駆動制御して人力をアシストする操舵アシスト制御手段と、前記モータの慣性トルクを補償する慣性トルク補償制御手段とを備えた電動パワーステアリング装置において、ステアリング系の摩擦トルクを専用に補償する摩擦トルク補償制御手段を備えた電動パワーステアリング装置とした。

慣性トルクを補償する慣性トルク補償制御手段とは別に、ステアリング系の摩擦トルクを専用に補償する摩擦トルク補償制御手段を備えたので、発生する摩擦トルクに応じた補償電流をモータに供給して摩擦トルクの影響を軽減することができ、高出力の電動パワーステアリング装置でも摩擦トルクの影響を十分軽減することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の電動パワーステアリング装置において、前記摩擦トルク補償制御手段は、モータの回転の有無を検出する回転判別手段を備え、前記回転判別手段によりモータが回転開始前と判別されたときには静止摩擦トルクが発生すると推定して、前記操舵トルクの微分値に所定係数を乗算した電流値を静止摩擦トルク補償電流としてモータに供給して静止摩擦トルク補償制御を行うことを特徴とする。

モータの回転開始前の静止摩擦トルクに対して操舵トルクの微分値に所定係数を乗算して適性な補償電流値を算出し、発生する静止摩擦トルクのタイミングおよび大きさに応じた適正な静止摩擦補償電流をモータに供給するため、静止摩擦トルクの影響を従来よりも軽減でき、高操舵フィーリングを実現することができる。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の電動パワーステアリング装置において、前記摩擦トルク補償制御手段は、モータの回転の有無を判断する回転判別手段を備え、前記回転判別手段によりモータが回転開始後と判別されたときには動摩擦トルクが発生すると推定して、所定電流値に徐々に近づけたのちに同所定電流値に一定とする電流値を動摩擦トルク補償電流としてモータに供給して動摩擦トルク補償制御を行うことを特徴とする。

モータの回転開始後の動摩擦トルクに対して所定電流値に徐々に近づけたのちに同所定電流値に一定とする適性な電流値を動摩擦トルク補償電流としてモータに供給するため、動摩擦トルクの影響を従来よりも軽減でき、高操舵フィーリングを実現することができる。

請求項４記載の発明は、請求項１記載の電動パワーステアリング装置において、前記摩擦トルク補償制御手段は、モータの回転の有無を判断する回転判別手段を備え、前記回転判別手段によりモータが回転開始前と判別されたときには静止摩擦トルクが発生すると推定して、前記操舵トルクの微分値に所定係数を乗算した電流値を静止摩擦トルク補償電流としてモータに供給し、前記回転判別手段によりモータが回転開始後と判別されたときには動摩擦トルクが発生すると推定して、所定電流値に徐々に近づけたのちに同所定電流値に一定とする電流値を動摩擦トルク補償電流としてモータに供給して静止および動摩擦トルク補償制御を行うことを特徴とする。

モータの回転開始前の静止摩擦トルクと回転開始後の動摩擦トルクに対してそれぞれ異なる適正な補償電流値を算出し、発生する摩擦トルクのタイミングおよび大きさに応じた適正な補償電流をモータに供給できるため、摩擦トルクの影響を従来よりも軽減でき、高操舵フィーリングを実現することができる。

請求項５記載の発明は、請求項２から請求項４までのいずれか記載の電動パワーステアリング装置において、前記回転判別手段が、前記モータの回転速度を検出する回転速度検出手段であることを特徴とする。

回転速度検出手段によりモータの回転の有無を直接的に判別することで、ステアリング系に生じる摩擦トルクが静止摩擦トルクか動摩擦トルクかを的確に判別することができる。

以下、本発明の一実施の形態について図１ないし図５に基づき説明する。
本実施の形態に係る電動パワーステアリング装置１の概略全体の後面図を図１に示す。

電動パワーステアリング装置１は、車両の左右方向（図１における左右方向に一致）に指向した略円筒状のラックハウジング２内にラック軸３が左右軸方向に摺動自在に収容されている。

ラックハウジング２の両端開口から突出したラック軸３の両端部にそれぞれジョイントを介してタイロッド４，４が連結され、ラック軸３の移動によりタイロッド４，４が動かされ、さらに転舵機構を介して車両の転舵輪が転舵される。

ラックハウジング２の右端部にステアリングギアボックス10が設けられている。
ステアリングギアボックス10には、ステアリングホイール（図示せず）が一体に取り付けられたステアリング軸にジョイントを介して連結される入力軸11が軸受を介して回動自在に軸支されており、図２に示すように入力軸11はステアリングギアボックス10内でトーションバー12を介して相対的なねじり可能に操舵ピニオン軸13と連結されている。

この操舵ピニオン軸13のはす歯13ａがラック軸３のラック歯３ａと噛合している。
したがってステアリングホイールの回動操作により入力軸11に伝達された操舵力は、トーションバー12を介して操舵ピニオン軸13を回動して操舵ピニオン軸13のはす歯13ａとラック歯３ａの噛合によりラック軸３を左右軸方向に摺動させる。

ラック軸３は、ラックガイドスプリング14に付勢されたラックガイド15により背後から押圧されている。

ステアリングギアボックス10の上部にはモータ20が取り付けられ、モータ20の駆動力を減速して操舵ピニオン軸13に伝達するウオーム減速機構25がステアリングギアボックス10内に構成されている。

ウオーム減速機構25は、操舵ピニオン軸13の上部に嵌着されたウオームホイール26にモータ20の駆動軸に同軸に連結されたウオーム27が噛合して構成されている。

モータ20の駆動力をこのウオーム減速機構25を介して操舵ピニオン軸13に作用させて操舵を補助する。
なお、モータ20には、その回転駆動軸の回転を直接検出するロータリエンコーダ、レゾルバなどの回転センサ35が設けられている。

ウオーム減速機構25のさらに上方にトルクセンサ30が設けられている。
トーションバー12を挟んで入力軸11側と操舵ピニオン軸13側にそれぞれ反射ディスク31，32が固着されており、この反射ディスク31，32に各々設けられたバーコードパターン31ａ，32ａを読み取ることができるオプティカルモジュール33が装着されてトルクセンサ30を構成している。

トルクセンサ30は、オプティカルモジュール33が各反射ディスク31，32のバーコードパターン31ａ，32ａを読み取り、その角度差から操舵トルクＴを検出する。

またこのトルクセンサ30は、一方の操舵ピニオン軸13側の反射ディスク32のバーコードパターン32ａを読み取ることにより、操舵ピニオン軸13の固定部材に対する回転位置を検出することができ、操舵ピニオン軸回転位置検出手段の役割も果たしている。

なお、トルクセンサとしては、上記のように光学的にトルクを検出するもののほか、トーションバーの捩れをコアの移動に変換しコアの移動をコイルのインダクタンス変化に変えてトルクを検出するものもある。

操舵を補助するモータ20は、コンピュータにより駆動制御されており、該制御系の概略ブロック図を図３に示す。

コンピュータのＣＰＵ40は、操舵トルクＴに基づきモータを駆動制御して人力をアシストする操舵アシスト制御手段41と慣性トルクを補償する慣性トルク補償制御手段42を有するとともに、別にステアリング系の摩擦トルクを専用に補償する摩擦トルク補償制御手段50を備えている。
その他、モータの回転センサ35からの検出信号からモータ回転速度Ｖｎを検出する回転速度検出手段51を備えている。

操舵アシスト制御手段41は、操舵トルクＴに基づき人力をアシストする基本的なアシストベース電流Ｉｂを演算し、慣性トルク補償制御手段42は操舵トルクＴを微分手段43により微分した値に基づきテーブル検索により慣性トルク補償電流Ｉｉを演算する。

摩擦トルク補償制御手段50には、前記回転速度検出手段51が検出したモータ回転速度Ｖｎとトルクセンサ30の検出した操舵トルクＴを微分手段53により微分した操舵トルク微分値ΔＴが入力されるが、この操舵トルク微分値ΔＴがノイジー（微振動）になると、補償電流もノイジーとなり操舵フィーリングが悪化するので、微分手段53の前後にフィルタ52，54を挿入して微振動を除去している。

摩擦トルク補償制御手段50は、入力されたモータ回転速度Ｖｎと操舵トルク微分値ΔＴとに基づいて演算し、摩擦トルク補償電流Ｉｆを算出する。

以上の操舵アシスト制御手段41が算出したアシストベース電流Ｉｂに、慣性トルク補償制御手段42が算出した慣性トルク補償電流Ｉｉと摩擦トルク補償制御手段50が算出した摩擦トルク補償電流Ｉｆを加算した合計電流Ｉ（＝Ｉｂ＋Ｉｉ＋Ｉｆ）の指令信号がモータ電流指令手段55によりモータドライバ21に出力され、モータドライバ21は合計電流Ｉを駆動電流としてモータ20を駆動する。

摩擦トルク補償制御手段50による摩擦トルク補償電流Ｉｆの算出手順を図４のフローチャートに従って図５のグラフを参照しつつ説明する。
まず操舵トルク微分値ΔＴとモータ回転速度Ｖｎを読み込む（ステップ１）。

なおモータ回転速度Ｖｎは、モータが正回転のときは正数、逆回転のときは負数で表される。
また、操舵トルクの出力値Ｔは、右操舵のときは正数、左操舵のときは負数で表される。

そしてモータ回転速度｜Ｖｎ｜が０か否かすなわちモータ20が回転しているか否かを判別する（ステップ２）。
｜Ｖｎ｜＝０ならばモータ20は回転しておらず、このとき生じる摩擦トルクは静止摩擦トルクであると判断し、｜Ｖｎ｜≠０ならばモータ20は回転しており、このとき生じる摩擦トルクは動摩擦トルクであると推定する。

図５には、ステアリング操作が行われて摩擦トルクが発生し、次いでモータ20が正回転で駆動する過程における摩擦トルクＴおよびモータ角速度Ｖｄの変化を示すグラフと摩擦トルク補償電流Ｉｆの変化を示すグラフの一例が示されている。

図５においてステアリング操作が行われｔ１時点で静止摩擦トルクが発生し、その後静止摩擦トルクは増大し、ｔ２時点でモータ20が回転を開始すると、同ｔ２時点から動摩擦トルクとなって最大摩擦トルクを示した後減少して略一定トルクとなる。
モータ20の角速度Ｖｄはｔ２時点から上昇を続ける。

ステップ２で｜Ｖｎ｜＝０と判別され静止摩擦トルクが発生するときは、ステップ３に進み、その静止摩擦トルクを補償する静止摩擦トルク補償電流Ｉfsを操舵トルク微分値ΔＴに所定係数ｋを乗算して求める。

図５においてｔ１時点からｔ２時点までの静止摩擦トルクが発生している間で示される摩擦トルク補償電流Ｉｆは、操舵トルク微分値ΔＴに所定係数ｋを乗算した静止摩擦トルク補償電流Ｉfsである。
静止摩擦トルク補償電流Ｉfsは、ｔ１時点から傾斜を徐々に大きくしながら増大し、最大電流値を示した後急激に減少している。

ステップ３で算出した静止摩擦トルク補償電流Ｉfsをステップ４で摩擦トルク補償電流Ifとして決定し、次のステップ11に進んで同摩擦トルク補償電流Ifを出力する。
同摩擦トルク補償電流Ifが前記したようにアシストベース電流Ｉｂと慣性トルク補償電流Ｉｉの和にさらに加算されてその合計電流Ｉの指令信号がモータ電流指令手段55によりモータドライバ21に出力されモータ駆動制御に供される。

次のステップ12では、この摩擦トルク補償電流Ifを前回補償電流Ｉfoとして次回に備える。
ｔ１時点からｔ２時点までの静止摩擦トルクが発生している間は、ステップ１，２，３，４，11，12が繰り返される。

そしてモータ20が回転すると、ステップ２で｜Ｖｎ｜≠０と判別され、ステップ５に飛ぶ。
ステップ５では、動摩擦トルクを補償する動摩擦トルク補償電流Ｉfdを、所定の一定電流値Ｃｉにsign(Ｖｎ)を乗算して求める。
sign(Ｖｎ)は、モータ回転速度Ｖｎが正数（正回転）ならば＋１、負数（逆回転）ならば−１とする関数であり、したがって動摩擦トルク補償電流Ｉfdは、モータ20が正回転ならば＋Ｃｉとされ、逆回転ならば−Ｃｉとされる。

そして次のステップ６に進むと、同動摩擦トルク補償電流Ｉfdが前回補償電流Ｉfoに等しいか否かが判別され、等しいときはステップ10に飛び、等しくないときはステップ７に進む。

ステップ７に進むと、動摩擦トルク補償電流Ｉfdが前回補償電流Ｉfoより小さいか否かが判別され、Ｉfd＜Ｉfoのときはステップ８に進んで、前回補償電流Ｉfoから所定電流値ΔＩを減算した電流値を摩擦トルク補償電流Ifとして決定し、Ｉfd＞Ｉfoのときはステップ９に進んで、前回補償電流Ｉf0に所定電流値ΔＩを加算した電流値を摩擦トルク補償電流Ifとして決定し、ステップ11に進む。

なお、ステップ６で、動摩擦トルク補償電流Ｉfdが前回補償電流Ｉfoに等しいと判別され、ステップ10に飛んだときは、動摩擦トルク補償電流Ｉfdを摩擦トルク補償電流Ifとして決定してステップ11に進む。
ステップ11に進んだときは、前記したように同摩擦トルク補償電流Ifを出力し、ステップ12で摩擦トルク補償電流Ifを前回補償電流Ｉfoとして次回に備える。

すなわち、図５に示したモータ正回転時の例で説明すると、モータ20が駆動を開始したｔ２時点での静止摩擦トルク補償電流Ｉfs（＝Ｉfo）が、一定電流値Ｃｉ（＝Ｉfd）より大きい場合（Ｉfd＜Ｉfo）には、前回補償電流Ｉfoから所定電流値ΔＩを減算した電流値を摩擦トルク補償電流Ifとし、以後毎回前回補償電流Ｉfoから所定電流値ΔＩを減算して摩擦トルク補償電流Ifは図５の実線で示すように直線的に漸減し、前回補償電流Ｉfoが一定電流値Ｃｉ（＝Ｉfd）に達したｔ３時点から摩擦トルク補償電流Ifは一定電流値Ｃｉ（＝Ｉfd）に一定となる。

モータ20が回転を開始したｔ２時点での静止摩擦トルク補償電流Ｉfs（＝Ｉfo）が、一定電流値Ｃｉ（＝Ｉfd）より小さい場合（Ｉfd＞Ｉfo）には、前回補償電流Ｉfoに所定電流値ΔＩを加算した電流値を摩擦トルク補償電流Ifとし、以後毎回前回補償電流Ｉfoに所定電流値ΔＩを加算して摩擦トルク補償電流Ifは図５の一点鎖線で示すように直線的に漸増し、前回補償電流Ｉfoが一定電流値Ｃｉ（＝Ｉfd）に達したｔ３´時点から摩擦トルク補償電流Ifは一定電流値Ｃｉ（＝Ｉfd）に一定となる。

以上のようにステアリング操作時のモータ制御において、静止摩擦トルクから動摩擦トルクに移行するときの摩擦トルク補償電流Ifは、漸減または漸増して所定の一定電流Ｃｉに収束するように滑らかに移行制御される。

モータ20の回転開始前の静止摩擦トルクと回転開始後の動摩擦トルクに対してそれぞれ異なる適正な摩擦トルク補償電流Ifを算出し、発生する摩擦トルクのタイミングおよび大きさに応じた適正な補償電流をモータ20に供給できるため、摩擦トルクの影響を従来よりも軽減でき、高操舵フィーリングを実現することができる。

なお、本実施の形態のモータの回転を判別するステップ２で、モータの回転速度Ｖｎが０か否かの判定によらずに、例えば、所定幅の閾値Ｖｃを設定して（｜Ｖｎ｜＜Ｖｃ）、モータ回転速度が所定回転速度Ｖｃを超えた時点から動摩擦トルク補償制御に移行させるようにすることもでき、これにより適切な動作切換えタイミングの調整が可能となる。

また、操舵車輪側からの路面反力等により、外部からモータに回転が瞬間的に伝達されたような場合には、不感帯として機能させることでモータの回転判別時の誤検出を回避でき検出精度を向上できる。

慣性トルク補償制御手段42とは別個に、摩擦トルクを専用に補償する摩擦トルク補償制御手段50を備えて摩擦トルクの軽減を行っているので、大型のモータを使用する高出力の電動パワーステアリング装置であっても、摩擦トルクの影響を十分軽減することができる。

本発明の一実施の形態に係る電動パワーステアリング装置の概略全体後面図である。ギアボックス内の断面図である。モータ制御系の概略ブロック図である。摩擦トルク補償電流の算出手順を示すフローチャートである。摩擦トルクおよびモータ角速度の変化およびそれに対応した摩擦トルク補償電流の変化を示すグラフである。

符号の説明

１…電動パワーステアリング装置、２…ラックハウジング、３…ラック軸、４…タイロッド、
10…ステアリングギアボックス、11…入力軸、12…トーションバー、13…操舵ピニオン軸、14…ラックガイドスプリング、15…ラックガイド、
20…モータ、21…モータドライバ、
25…ウオーム減速機構、26…ウオームホイール、27…ウオーム、
30…トルクセンサ、31，32…反射ディスク、33…オプティカルモジュール、35…回転センサ、
40…ＣＰＵ、41…操舵アシスト制御手段、42…慣性トルク補償制御手段、43…微分手段、
50…摩擦トルク補償制御手段、51…回転速度検出手段、52…フィルタ、53…微分手段、54…フィルタ。

Claims

操舵トルク検出手段により検出された操舵トルクに基づきモータを駆動制御して人力をアシストする操舵アシスト制御手段と、前記モータの慣性トルクを補償する慣性トルク補償制御手段とを備えた電動パワーステアリング装置において、
ステアリング系の摩擦トルクを専用に補償する摩擦トルク補償制御手段を備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
前記摩擦トルク補償制御手段は、
モータの回転の有無を検出する回転判別手段を備え、
前記回転判別手段によりモータが回転開始前と判別されたときには静止摩擦トルクが発生すると推定して、前記操舵トルクの微分値に所定係数を乗算した電流値を静止摩擦トルク補償電流としてモータに供給して静止摩擦トルク補償制御を行うことを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
前記摩擦トルク補償制御手段は、
モータの回転の有無を判断する回転判別手段を備え、
前記回転判別手段によりモータが回転開始後と判別されたときには動摩擦トルクが発生すると推定して、所定電流値に徐々に近づけたのちに同所定電流値に一定とする電流値を動摩擦トルク補償電流としてモータに供給して動摩擦トルク補償制御を行うことを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
前記摩擦トルク補償制御手段は、
モータの回転の有無を判断する回転判別手段を備え、
前記回転判別手段によりモータが回転開始前と判別されたときには静止摩擦トルクが発生すると推定して、前記操舵トルクの微分値に所定係数を乗算した電流値を静止摩擦トルク補償電流としてモータに供給し、
前記回転判別手段によりモータが回転開始後と判別されたときには動摩擦トルクが発生すると推定して、所定電流値に徐々に近づけたのちに同所定電流値に一定とする電流値を動摩擦トルク補償電流としてモータに供給して静止および動摩擦トルク補償制御を行うことを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
前記回転判別手段は、前記モータの回転速度を検出する回転速度検出手段であることを特徴とする請求項２から請求項４までのいずれか記載の電動パワーステアリング装置。