JP2006160010A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成かつ高精度に静止摩擦を推定する電動パワーステアリング装置を提供することを課題とする。
【解決手段】 操舵状態に応じてモータ５による操舵補助力をステアリング系に付加する電動パワーステアリング装置１であって、モータ５の回転角を検出する回転角検出手段４と、モータ５に電流を供給する電流供給手段６と、モータ５が停止状態のときに電流を供給し、モータ５の回転角が変化し始めたときのモータ５に供給している電流値に基づいて静止摩擦を推定する静止摩擦推定手段６とを備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、モータによる操舵補助力をステアリング系に付加する電動パワーステアリング装置に関する。

電動パワーステアリング装置は、運転者によって入力された操舵トルクや車速に応じてモータの駆動を制御し、モータによってステアリング系に対して操舵補助力を付加する。このモータ自体の摩擦やサスペンションの摩擦などによってステアリング系には静止摩擦が存在するので、電動パワーステアリング装置では静止摩擦の影響を受ける。そのため、操舵補助力に静止摩擦を考慮していない場合、操舵し始めるときに引っ掛かり感などが生じ、ステアリングの中立付近での操舵フィーリングが悪化する。また、レーンキープ装置などの車両側で操舵を行う場合、この静止摩擦を考慮しないでモータを駆動制御すると、タイヤが転舵しなかったりあるいはタイヤが切れすぎたりする。

そこで、電動パワーステアリング装置には、静止摩擦を推定し、その推定した静止摩擦を考慮してモータによる操舵補助力を付加するものがある（特許文献１参照）。静止摩擦の推定方法としては、モータの角速度、モータの逆起電力、モータの電流あるいは操舵角速度を検出し、その急峻な変化から静止摩擦を推定する方法が採られている。
特許第３４８１４６８号公報

従来の静止摩擦の推定方法では、モータの角速度などの急峻な変化を利用しているので、各センサ信号の時間微分を求めることになる。そのため、各センサ信号にノイズが存在する場合にはそのノイズを急峻な変化として検出する可能性があるので、静止摩擦の推定精度が悪化する。そこで、ノイズを除去するためにセンサ信号に対してフィルタ処理を施した場合、ハードウエアとして別にフィルタが必要となったりあるいはソフトウエアで除去すると制御ソフトが複雑化するので、コストが増加する。また、フィルタ処理によってモータの角速度などの急峻な変化も除去してしまう場合があり、静止摩擦の推定精度が悪化し、信頼性を低下させる。

そこで、本発明は、簡単な構成かつ高精度に静止摩擦を推定する電動パワーステアリング装置を提供することを課題とする。

本発明に係る電動パワーステアリング装置は、操舵状態に応じてモータによる操舵補助力をステアリング系に付加する電動パワーステアリング装置であって、モータの回転角を検出する回転角検出手段と、モータに電流を供給する電流供給手段と、モータが停止状態のときに電流を供給し、モータの回転角が変化し始めたときのモータに供給している電流値に基づいて静止摩擦を推定する静止摩擦推定手段とを備えることを特徴とする。

この電動パワーステアリング装置では、モータの停止状態のときに、電流供給手段によりモータに電流を供給していく。電流を供給し始めてから、電動パワーステアリング装置では、回転角検出手段によりモータの回転角を検出し、モータの回転角が変化し始めた時点（モータが停止から回転し始めた時点）を検出する。そして、電動パワーステアリング装置では、静止摩擦推定手段によりその回転角が変化し始めたときにモータに供給している電流値に基づいて静止摩擦を推定する。つまり、モータに電流を供給し始めたときには、静止摩擦の影響によりモータが停止状態のままである。モータに供給する電流を徐々に増加するとモータで発生するトルクも増加し、やがて、静止摩擦力に対してモータのトルクが上回り、モータが回転し始める。したがって、モータが停止から回転し始めたときに供給している電流によって発生しているモータのトルクが、静止摩擦力に対して必要なモータのトルクとなる。このように、電動パワーステアリング装置では、簡単の構成により静止摩擦を推定することができる。また、電動パワーステアリング装置では、モータが停止状態から回転角が変化した瞬間を検出すればよいので、静止摩擦の推定精度も非常に高い。

本発明の上記電動パワーステアリング装置では、モータの停止状態から回転角が変化したときに当該モータの回転によるステアリング系における回転をキャンセルするキャンセル手段を備える構成としてもよい。

この電動パワーステアリング装置では、静止摩擦を推定する際に、キャンセル手段によりモータの回転によって発生するステアリング系における回転をキャンセルする。つまり、静止摩擦を推定するためにモータに電流を供給した場合、モータが回転するとステアリングシャフトを介してステアリングホイールが多少動いてしまう。そこで、モータとステアリングホイールとの間に設けられたキャンセル手段によって、モータによる回転がステアリングホイールに伝達される前に、そのステアリング系における回転を打ち消すような作用をキャンセル手段によって与える。その結果、静止摩擦を推定しているときにステアリングホイールが動くようなことがなくなるので、運転者に対して不安感を与えない。キャンセル手段としては、例えば、ステアリングシャフトの途中に設けられたギヤ比可変装置である。

本発明によれば、簡単な構成により、静止摩擦を高精度に推定することができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る電動パワーステアリング装置の実施の形態を説明する。

本実施の形態では、本発明に係る電動パワーステアリング装置を、ブラシレスモータによって操舵補助力を付加する電動パワーステアリング装置に適用する。本実施の形態に係る電動パワーステアリング装置は、ブラシレスモータを駆動制御するために必要なモータ回転角センサを利用し、ＥＣＵにおける静止摩擦推定処理によりステアリング系の静止摩擦を推定する。本実施の形態には、２つの実施の形態があり、第１の実施の形態が静止摩擦推定の基本的な構成であり、第２の実施の形態が静止摩擦を推定する際にモータの回転によるステアリング系の回転をキャンセルする手段も有する構成である。なお、本実施の形態では、モータの回転角や操舵トルクの方向を正負で表し、正値を右回転方向とし、負値を左回転方向とする。

図１及び図２を参照して、第１の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置１について説明する。図１は、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図である。図２は、モータの駆動電流とモータの回転トルクとの関係を示すモータ用マップの一例である。

電動パワーステアリング装置１では、車両の各種状態に応じて操舵補助トルクを設定し、モータによってその操舵補助トルクをステアリング系に付加する。特に、電動パワーステアリング装置１では、ステアリング系の静止摩擦（摩擦トルク）を推定することができる。そのために、電動パワーステアリング装置１は、操舵トルクセンサ２、車速センサ３、モータ回転角センサ４、モータ５、ＥＣＵ[Electronic Control Unit]６などを備えている。

なお、第１の実施の形態ではモータ回転角センサ４が特許請求の範囲に記載する回転角検出手段に相当し、ＥＣＵ６が特許請求の範囲に記載する電流供給手段及び静止摩擦推定手段に相当する。

操舵トルクセンサ２は、操舵トルクの方向と大きさを検出するセンサである。操舵トルクセンサ２では、その方向と大きさを示す操舵トルク信号ＴＳをＥＣＵ６に送信する。車速センサ３は、その検出値を示す車速信号ＳＳをＥＣＵ６に送信する。モータ回転角センサ４は、モータ５の回転角の方向と大きさを検出するセンサである。モータ回転角センサ４では、その方向と大きさを示すモータ回転角信号ＡＳをＥＣＵ６に送信する。

モータ５は、ブラシレスモータであり、コイルに流す電流がモータ回転角センサ４で検出したモータ回転角に基づいて制御される。モータ５は、ＥＣＵ６に接続され、ＥＣＵ６からモータ回転角に基づく制御電流ＣＩが供給される。そして、モータ５では、制御電流ＣＩに応じた方向に回転駆動し、制御電流ＣＩに応じた回転トルクを発生する。

なお、電動パワーステアリング装置１は、モータ５がステアリングシャフト（図示せず）に対して設けられるコラム駆動タイプでもよいし、あるいは、ラック軸（図示せず）に対して設けられるラック駆動タイプでもよい。いずれのタイプの場合も、モータ５は減速機（図示せず）を介してステアリングシャフト又はラック軸に所定のトルクを与える。

ＥＣＵ６は、ＣＰＵ[Central Processing Unit]、ＲＯＭ[Read Only Memory]、ＲＡＭ[Random Access Memory]、モータ駆動回路等からなる電子制御ユニットである。ＥＣＵ６では、各種センサ２，３，４からの検出信号ＴＳ，ＳＳ，ＡＳに基づいて操舵補助制御処理、静止摩擦推定処理などを行い、モータ５の駆動を制御する。

操舵補助制御処理について説明する。ＥＣＵ６では、操舵補助トルク設定用マップを用いて、車速信号ＳＳによる車速及び操舵トルク信号ＴＳによる操舵トルクなどに基づいて操舵補助トルク（方向と大きさ）を求める。この際、ＥＣＵ６では、車速信号ＳＳによる各輪の回転速度から車速を演算する。そして、ＥＣＵ６では、操舵補助トルクの方向と大きさを発生するために必要な駆動電流指令値（方向と大きさ）を設定する。さらに、ＥＣＵ６のモータ駆動回路において、その駆動電流指令値に応じた制御電流ＣＩを発生し、その発生した制御電流ＣＩをモータ５に供給する。この際、ＥＣＵ６では、駆動電流指令値となるように、モータ回転角信号ＡＳによるモータ回転角に基づいてモータ５をフィードバック制御する。

静止摩擦推定処理について説明する。ＥＣＵ６では、イグニッションスイッチがオンされる毎に、静止摩擦推定処理を実行する。まず、ＥＣＵ６では、運転者からの操舵入力が無いことを確認するために、操舵トルク信号ＴＳによる操舵トルクに基づいて操舵トルクが０か否かを判定する。また、ＥＣＵ６では、モータ５が停止状態であることを確認するために、駆動電流指令値が０か否かを確認する。さらに、ＥＣＵ６では、モータ５の回転角を０にリセットする。この際、ＥＣＵ６では、モータ回転角信号ＡＳによるモータ回転角が０になっているかを確認する。

ＥＣＵ６では、運転者からの操舵入力が無くかつモータ５が停止状態であることを確認すると、駆動電流指令値を一定の極少量づつ微増設定していく。駆動電流指令値を微増設定する毎に、ＥＣＵ６のモータ駆動回路において、その駆動電流指令値に応じた制御電流ＣＩを発生し、その発生した制御電流ＣＩをモータ５に供給する。微増した制御電流ＣＩをモータ５に供給する毎に、ＥＣＵ６では、モータ回転角信号ＡＳによるモータ回転角の絶対値が０から変化したか否かを判定する。ちなみに、モータ回転角の絶対値が０の場合、静止摩擦の摩擦トルクがモータ５の回転トルクに減速機を介したトルクより大きく、モータ５が停止状態のままである。モータ回転角の絶対値が０から変化した瞬間、静止摩擦の摩擦トルクがモータ５の回転トルクに減速機を介したトルクと等しくなり、モータ５が停止状態から回転し始める。

ＥＣＵ６では、モータ回転角の絶対値が０から変化したと判定した場合、その変化し始めたときの駆動電流指令値を保持する。そして、ＥＣＵ６では、モータ用マップを用いて（図２参照）、保持した駆動電流指令値からその駆動電流指令値に応じた制御電流ＣＩを供給したときのモータ５の回転トルクを求める。モータ用マップは、モータ５に供給される駆動電流と発生する回転トルクとの関係を示すマップであり、駆動電流が大きくなるのに従って大きくなる回転トルクが設定されている。モータ用マップは、実験などによって予め求められたものであり、ＥＣＵ６内に保持されている。さらに、ＥＣＵ６では、モータ５とステアリングシャフト又はラック軸との間の減速機のギヤ比により、求めた回転トルクから静止摩擦の摩擦トルクを換算する。

電動パワーステアリング装置１では、ステアリング系の静止摩擦を補償するために、この推定した摩擦トルクを操舵補助トルクを求める際に利用する。また、この車両にレーンキープ装置などの車両側で操舵を行うような装置が搭載されている場合、ステアリング系の静止摩擦を補償するために、付加する操舵トルクに推定した摩擦トルクを加味するようにしてもよい。

図１を参照して、電動パワーステアリング装置１における静止摩擦を推定する際の動作について説明する。特に、ＥＣＵ６における静止摩擦推定処理については図３のフローチャートに沿って説明する。図３は、図１のＥＣＵにおける静止摩擦推定処理を示すフローチャートである。

運転者が、イグニッションスイッチをオンする。すると、ＥＣＵ６では、静止摩擦推定処理が起動する。操舵トルクセンサ２では、操舵トルクを検出し、ＥＣＵ６に操舵トルク信号ＴＳを送信している。また、モータ回転角センサ４では、モータ５の回転角を検出し、ＥＣＵ６にモータ回転角信号ＡＳを送信している。また、車速センサ３では、各輪の回転速度を各々検出し、ＥＣＵ６に車速信号ＳＳを各々送信している。ＥＣＵ６では、この検出した回転速度から車速を演算している。

ＥＣＵ６では、操舵トルクが０か否かを判定する（Ｓ１）。ＥＣＵ６では、操舵トルクが０でない場合、Ｓ１の処理を繰り返し実行する。Ｓ１にて操舵トルクが０と判定すると、ＥＣＵ６では、駆動電流指令値が０になっているか否かを判定する（Ｓ２）。ＥＣＵ６では、駆動電流指令値が０でない場合、Ｓ２の処理を繰り返し実行する。Ｓ２にて駆動電流指令値が０と判定すると、ＥＣＵ６では、モータ５の回転角を０にリセットする（Ｓ３）。

以上の条件が整うと、ＥＣＵ６では、駆動電流指令値として前回の駆動電流指令値に対して一定の微小量を積算設定し、モータ駆動回路からその駆動電流指令値に応じた制御電流ＣＩをモータ５に供給する（Ｓ４）。

モータ５では、供給された制御電流ＣＩに応じた回転トルクを発生する。そして、この回転トルクが、減速機を介してステアリングシャフト又はラック軸に付加される。この付加されたトルクが静止摩擦の摩擦トルクより小さい場合、モータ５は停止したままであり（回転角が０）、ステアリングシャフト又はラック軸も停止したままである。一方、付加されたトルクが静止摩擦の摩擦トルクより大きくなると、モータ５は回転し（回転角が０から変化し）、ステアリングシャフトが回転又はラック軸が車幅方向に移動する。

Ｓ４の処理を実行する毎に、ＥＣＵ６では、モータ５の回転角の絶対値が０から変化したか否かを判定する（Ｓ５）。Ｓ５にて回転角の絶対角が０と判定した場合、ＥＣＵ６では、Ｓ４の処理に戻って、更に、駆動電流指令値を一定の微小量分を微増設定し、その微増した制御電流ＣＩをモータ５に供給する（Ｓ４）。

Ｓ５にて回転角の絶対値が０から変化したと判定した場合、ＥＣＵ６では、モータ用マップを用いて、そのときの駆動電流指令値に基づいてモータ５の回転トルクを求める（Ｓ６）。さらに、ＥＣＵ６では、減速機のギヤ比を用いて、その求めた回転トルクからステアリング系の摩擦トルクを演算する（Ｓ７）。

この電動パワーステアリング装置１によれば、モータ５の停止状態から徐々に電流を供給し、モータ５の回転角が変化したときの駆動電流値から摩擦トルクを求める簡単な構成によって静止摩擦を推定することができる。また、電動パワーステアリング装置１では、モータ５が停止状態から回転し始めた時点を検出するだけなので、静止摩擦を高精度に推定できる。

図４を参照して、第２の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置１１について説明する。図４は、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図である。なお、電動パワーステアリング装置１１では、第１の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置１と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

電動パワーステアリング装置１１は、電動パワーステアリング装置１と同様の装置であるが、静止摩擦を推定する際にステアリングホイールが動かないようにモータ５の回転によるステアリングホイールの回転をキャンセルする。そのために、電動パワーステアリング装置１１は、操舵トルクセンサ２、車速センサ３、モータ回転角センサ４、モータ５、ＥＣＵ[Electronic Control Unit]１６などを備えており、車両に搭載されるギヤ比可変装置１７を利用する。

なお、第２の実施の形態ではモータ回転角センサ４が特許請求の範囲に記載する回転角検出手段に相当し、ＥＣＵ１６が特許請求の範囲に記載する電流供給手段及び静止摩擦推定手段に相当し、ギヤ比可変装置１７が特許請求の範囲に記載するキャンセル手段に相当する。

ギヤ比可変装置１７は、車速に応じてステアリングギヤ比（ステアリングホイールの操舵角とタイヤの転舵角の比率）を変化させる装置である。ギヤ比可変装置１７は、ステアリングシャフトの中間部に設けられ、ステアリングシャフトのステアリングホイール側とピニオン側の回転比を変化させる。したがって、ステアリングシャフトは、ギヤ比可変装置１７を介してステアリングホイール側とピニオン側とに分離されている。また、ギヤ比可変装置１７は、ＥＣＵ１６に接続され、ＥＣＵ１６からキャンセル信号ＣＳ（回転方向と回転角度）を受信する。ギヤ比可変装置１７では、キャンセル信号ＣＳを受信すると、ピニオン側のステアリングシャフトをキャンセル信号ＣＳに示される回転方向に回転角度分回転させる。

ＥＣＵ１６は、第１の実施の形態に係るＥＣＵ６と同様のＥＣＵであるが、静止摩擦推定処理においてステアリングホイールの回転をキャンセルするための処理も有している。そのため、ＥＣＵ１６では、モータ５の駆動を制御する他に、ギヤ比可変装置１７にキャンセル信号ＣＳを送信して作動させる。ここでは、ＥＣＵ１６における静止摩擦推定処理において、ＥＣＵ６における静止摩擦推定処理に対して追加した処理についてのみ説明する。

微増した制御電流ＣＩをモータ５に供給する毎に、ＥＣＵ１６では、モータ回転角信号ＡＳによるモータ回転角を時間微分し、モータ５の角速度を求める。そして、ＥＣＵ１６では、このモータ角速度（微分値）が０から変化したか否かを判定する。このように、モータ回転角の変化を判定するのでなく、モータ角速度の変化を判定するのは、回転角の少しの変化に対しても角速度は急峻に立ち上がるので、モータの回転し始めた瞬間を出来るだけ速く検出するためのである。

ＥＣＵ１６では、モータ角速度が０から変化したと判定した場合、そのときのモータ回転角（回転方向と大きさ）からステアリングシャフトが回転する方向（ひいては、ステアリングホイールが操舵される方向）とは逆方向を回転方向として設定し、モータ５の回転によるピニオン軸側のステアリングシャフトの回転角度を求める。そして、ＥＣＵ１６では、その回転方向と回転角度を示したキャンセル信号ＣＳを設定し、ギヤ比可変装置１７に送信する。

図４を参照して、電動パワーステアリング装置１１における静止摩擦を推定する際の動作について説明する。特に、ＥＣＵ１６における静止摩擦推定処理については図５のフローチャートに沿って説明する。ここでの動作説明では、第１の実施の形態における動作説明と異なる点についてのみ詳細に説明する。図５は、図４のＥＣＵにおける静止摩擦推定処理を示すフローチャートである。なお、図５に示すフローチャートでは、第１の実施の形態に係る図３に示すフローチャートと同様の処理については同一のステップ番号を付している。

ＥＣＵ１６では、Ｓ１〜Ｓ７の処理により、静止摩擦の摩擦トルクを演算する。この際、Ｓ４の処理が終了する毎に、ＥＣＵ１６では、モータ５の回転角を時間微分し、モータ５の角速度を演算する（Ｓ８）。そして、ＥＣＵ６では、そのモータ角速度（微分値）が０から変化したか否かを判定する（Ｓ９）。Ｓ９にてモータ角速度が変化なしと判定した場合、ＥＣＵ６では、Ｓ４の処理に戻る。この場合、モータ５の回転角も変化していないので、Ｓ５にて回転角の絶対角が０と判定している。

Ｓ９にてモータ角速度が変化したと判定した場合、ＥＣＵ６では、ステアリングホイールの操舵をキャンセルするための回転方向と回転角度を示したキャンセル信号ＣＳを設定し、ギヤ比可変装置１７に送信する（Ｓ１０）。すると、ギヤ比可変装置１７では、ピニオン側のステアリングシャフトをキャンセル信号ＣＳに設定されている回転方向に回転角度分回転させる。したがって、モータ５の回転は、ギヤ比可変装置１７においてキャンセルされ、ステアリングホイール側のステアリングシャフト（ひいては、ステアリングホイール）まで伝達されない。

この電動パワーステアリング装置１１によれば、第１の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置１と同様の効果を有する上に、静止摩擦を推定する際にステアリングホイールが回転しない。そのため、ステアリングホイールを勝手に回転することによって、運転者に違和感を与えることはない。また、電動パワーステアリング装置１１では、モータ５の変化を角速度で判定することにより、モータ５の変化を迅速に検知でき、モータ５の回転がステアリングホイールに伝達する前にその回転をキャンセルすることができる。

以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。

例えば、本実施の形態ではブラシレスモータを備える電動パワーステアリング装置に適用したが、他のモータを備える電動パワーステアリング装置にも適用可能である。また、ブラシレスモータと共に備えられるモータ回転角センサによってモータの回転角を検出する構成としたが、ブラシレスモータでない場合には、回転角検出手段としては、モータ回転角センサを備える構成としてもよいが、モータの電流値と電圧値からモータの回転角を推定する手段としてもよいしあるいはモータの角速度やモータの角加速度から演算する手段であってもよい。

また、本実施の形態ではモータ用マップを用いてモータの駆動電流からモータの回転トルクを求める構成としたが、所定の演算式を用いてモータの駆動電流からモータの回転トルクを演算によって求める構成としてもよい。

また、第２の実施の形態ではキャンセル手段としてギヤ比可変装置を利用する構成としてが、モータの回転によるステアリング系の回転をキャンセルできる装置なら他の装置を利用してもよいし、あるいは、専用のキャンセル手段を構成してもよい。

また、第２の実施の形態ではラック駆動タイプの電動パワーステアリング装置に適用したが、ギヤ比可変装置が小型であり、ステアリングシャフトのステアリングホイール近傍に設けることができる場合にはコラム駆動タイプにも適用可能である。

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図である。 モータの駆動電流とモータの回転トルクとの関係を示すモータ用マップの一例である。 図１のＥＣＵにおける静止摩擦推定処理を示すフローチャートである。 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図である。 図４のＥＣＵにおける静止摩擦推定処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１，１１…電動パワーステアリング装置、２…操舵トルクセンサ、３…車速センサ、４…モータ回転角センサ、５…モータ、６，１６…ＥＣＵ、１７…ギヤ比可変装置

Claims (2)

1. 操舵状態に応じてモータによる操舵補助力をステアリング系に付加する電動パワーステアリング装置であって、
   モータの回転角を検出する回転角検出手段と、
   モータに電流を供給する電流供給手段と、
   モータが停止状態のときに電流を供給し、モータの回転角が変化し始めたときのモータに供給している電流値に基づいて静止摩擦を推定する静止摩擦推定手段と
   を備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記モータの停止状態から回転角が変化したときに当該モータの回転によるステアリング系における回転をキャンセルするキャンセル手段を備えることを特徴とする請求項１に記載する電動パワーステアリング装置。

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