JP4059003B2

JP4059003B2 - 電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP4059003B2
Application number: JP2002152530A
Authority: JP
Inventors: 欣智徳本; 真人柴; 直樹前田; 研一古高
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2002-05-27
Filing date: 2002-05-27
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2022-05-27
Also published as: EP1369339A2; EP1977952A2; DE60324223D1; EP1977952A3; EP1369339B1; US20040007419A1; EP1369339A3; JP2003341541A; US6973991B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動パワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば特開２００２−２９４３１号公報に掲載された従来の電動パワーステアリング装置では、操舵軸におけるトーションバーより入力側の入力軸及び出力側の出力軸における舵角の相対差からトルクＴが算出される。そして、入力軸及び出力軸の各角速度と、車速とに基づいて、トルクＴが逆入力トルクであると判定された場合には、トルクＴの符号を反転して逆アシストトルクとし、これを発生させるべく操舵補助用のモータを駆動する。なお、トルクＴが逆入力トルクとなるのは、例えば、直進走行時の保舵状態において、路面からの外乱を車輪の操舵方向に受けた場合である。
このようにして、外乱による逆入力トルクをモータの駆動力で相殺し、ハンドルに外乱が伝わることを防止する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の電動パワーステアリング装置においては、外乱を相殺するような逆アシスト動作がドライバの意思に関わらず行われることにより、不自然な操舵フィーリングをドライバに与えることがある。また、外乱がハンドルにほとんど伝わらないため、ドライバは、路面の状態を的確に把握しにくい。極端な例を挙げれば、操舵方向への路面の摩擦抵抗の小さい雪道を走っているときと、摩擦抵抗の大きい砂利道を走っているときとで、ハンドルを介してドライバに伝わる外乱にはほとんど差がない。すなわち、ハンドルを介しての路面情報が、ドライバに的確に伝わらない。
【０００４】
上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、外乱を抑制しつつも、適度にハンドルに外乱を伝える電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、操舵部材から操向車輪に至る操舵系にモータの回転力を付与して操舵アシストを行う電動パワーステアリング装置において、前記操舵部材に連結される入力軸と、前記入力軸にトーションバーを介在させて連結された出力軸と、前記入力軸の回転に応じた信号を出力する入力軸回転検出手段と、前記出力軸の回転に応じた信号を出力する出力軸回転検出手段と、前記入力軸回転検出手段及び出力軸回転検出手段の各出力に基づいて、前記入力軸と出力軸との間で伝達されるトルク及び、前記入力軸及び出力軸のそれぞれについて角変位に基づく角速度及び角加速度を含む情報を算出する演算手段と、前記トルクに応じた操舵補助力を、前記モータを駆動することにより生じさせる駆動制御手段とを備え、前記駆動制御手段は、前記角速度及び角加速度を含む情報から前記入力軸及び出力軸のどちらが動的に優位であるかを少なくとも当該角速度比較又は角加速度比較のいずれか一方を行って論理和的判断をすることにより、前記入力軸より出力軸の方が動的に優位な場合、前記トルクの時間積分値より小さい時間積分値となるトルクを逆アシスト方向に発生させるように前記モータを駆動するものである（請求項１）。
【０００６】
上記のように構成された電動パワーステアリング装置では、入力軸より出力軸の方が動的に優位な場合、すなわち外乱の場合、入力軸と出力軸との間に生じているトルクの時間積分値より小さい時間積分値となるトルクを逆アシスト方向に発生させるように前記モータを駆動することにより、外乱の一部を逆アシストによって打ち消しながらも、外乱の発生を軽度にドライバに伝えることができる。
【０００７】
また、上記電動パワーステアリング装置（請求項１）における前記情報は、角速度及び角加速度を含み、判定はそのどちらかに基づいて行われるものである。
このため、角速度比較及び角加速度比較を行って論理和的判断をすることにより、角速度（周波数）と力の両面から入力軸及び出力軸のどちらが優位にあるかを的確に判定することができる。
【０００８】
また、上記電動パワーステアリング装置（請求項１）において、逆アシスト方向に発生させるトルクの波形は、減衰振動的波形であってもよい（請求項２）。
この場合、逆アシストのトルク波形が減衰振動的に変化することで外乱の抑制はやや弱められるが、ドライバに対しては外乱の自然な収束感が与えられるとともに、外乱のトルクがより多くドライバに伝えられる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態による電動パワーステアリング装置の構造を模式的に示す図である。当該装置は、例えば自動車に搭載され、操舵部材（ハンドル）１とピニオン２との間に、操舵軸３を介在させたものである。操舵軸３は、その中心に設けられたトーションバー３１と、トーションバー３１の入力側（上方）に固定された入力軸３２と、トーションバー３１の出力側（下方）に固定された出力軸３３と、入力軸３２に外嵌された第１ターゲット板３４と、出力軸３３に固定された第２ターゲット板３５及び第３ターゲット板３６とを備えている。入力軸３２と出力軸３３とは互いに同軸に配置されているが、相互には直接接続されず、トーションバー３１を介して接続されている。また、第１ターゲット板３４、第２ターゲット板３５及び第３ターゲット板３６も、互いに同軸に配置されている。
【００１０】
上記各ターゲット板３４〜３６は、平歯車状の形態を成し、磁性体から成る外周の歯が周方向に等間隔で凹凸ターゲットを形成している。歯数は、第１ターゲット板３４と第２ターゲット板３５とが同数Ｎ（例えば３６）で、第３ターゲット板３６はＮとは互いに素（１以外の公約数をもたない）である数（例えば３５）である。
なお、上記の各ターゲット板３４〜３６は、入力軸３２や出力軸３３とは別体であって外嵌される構造であるが、入力軸３２や出力軸３３を磁性体とし、対応するターゲット板３４〜３６と一体に形成してもよい。
【００１１】
出力軸３３にはウオームホイール４が取り付けられ、これが、モータ６の出力軸に取り付けられたウオーム５と噛み合っている。モータ６の回転は、ウオーム５及びウオームホイール４を介してピニオン２に伝達され、操舵補助力となる。ピニオン２の回転は、ラック７の直線運動に変換され、左右のタイロッド８を介して操向車輪９が転舵される。
【００１２】
上記各ターゲット板３４〜３６の外周の歯に対向して、３段２列に６個の磁気センサＡ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２，Ａ３，Ｂ３が配置され、これらはセンサボックス１０に収められている。センサボックス１０は車体の所定位置に固定されている。センサＡ１，Ｂ１は、第１ターゲット板３４の外周の互いに異なる周方向位置に対向して配置されている。同様に、センサＡ２，Ｂ２は、第２ターゲット板３５の外周の互いに異なる周方向位置に対向して配置され、センサＡ３，Ｂ３は、第３ターゲット板３６の外周の互いに異なる周方向位置に対向して配置されている。
【００１３】
上記磁気センサＡ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３は、磁気抵抗素子（ＭＲ素子）等、磁界の作用により抵抗が変化する特性を有する素子を用いたもので、対向する各ターゲット板３４〜３６の外周の凹凸に応じて周期的に変化する信号電圧を出力する。従って、磁気センサＡ１，Ｂ１の出力は、入力軸３２及び第１ターゲット板３４の角変位に対応したものとなり、磁気センサＡ２，Ｂ２の出力は、出力軸３３及び第２ターゲット板３５の角変位に対応したものとなる。同様に、磁気センサＡ３，Ｂ３の出力は、出力軸３３及び第３ターゲット板３６の角変位に対応したものとなる。
【００１４】
磁気センサＡ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３の出力は、ＣＰＵを内蔵する制御装置２１に入力される。制御装置２１は、ソフトウェア処理によって達成される演算手段２１ａと、駆動制御手段２１ｂとを機能的に含んでおり、演算手段２１ａにより、磁気センサＡ１，Ｂ１の出力から入力軸３２及び第１ターゲット板３４の角変位θ１が算出される。同様に、磁気センサＡ２，Ｂ２の出力から出力軸３３及び第２ターゲット板３５の角変位θ２が算出される。また、制御装置２１には、車速センサ２２によって検出された車速の信号が入力される。モータ６は、制御装置２１によって駆動制御される。
【００１５】
図２は、上記トーションバー３１、入力軸３２、出力軸３３、各ターゲット板３４〜３６、及び、磁気センサＡ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３を模式的に表した図である。第１ターゲット板３４は、入力軸３２と共に回転し、外周の凹凸により磁気センサＡ１，Ｂ１の出力信号が変化する。すなわち、第１ターゲット板３４と磁気センサＡ１，Ｂ１とは、入力軸３２の回転に応じた信号を出力する入力軸回転検出手段を構成している。ここで、磁気センサＡ１とＢ１との配置の、対向する凹凸に対する電気角における位相差は、π／２であるように設定されている。従って、磁気センサＡ１，Ｂ１からの出力信号（電圧）は、図３に示すように、常にπ／２ずれている。このようにする理由は、波形の極大値及び極小値で非線形な変化が現れるため、２つの磁気センサＡ１，Ｂ１の出力信号をπ／２ずらすことで、一方の信号が非線形領域のときは他方の線形領域の信号を用いることができるからである。なお、位相差はπ／２に限定されないことはいうまでもない。
【００１６】
同様に、第２ターゲット板３５は、出力軸３３と共に回転し、外周の凹凸により磁気センサＡ２，Ｂ２の出力信号が変化する。すなわち、第２ターゲット板３５と磁気センサＡ２，Ｂ２とは、出力軸３３の回転に応じた信号を出力する出力軸回転検出手段を構成している。また同様に、磁気センサＡ２とＢ２との配置の、対向する凹凸に対する電気角における位相差は、π／２であるように設定されている。
【００１７】
一方、第３ターゲット板３６も、出力軸３３と共に回転し、外周の凹凸により磁気センサＡ３，Ｂ３の出力信号が変化する。また同様に、周方向における磁気センサＡ３及びＢ３の位置は、それぞれ磁気センサＡ２及びＢ２と同じである。ここで、第３ターゲット板３６の歯数（＝３５）が第２ターゲット板３５の歯数（＝３６）より１少ないことにより、磁気センサＡ３，Ｂ３の出力は、磁気センサＡ２，Ｂ２の出力と比べて、出力軸３３の回転量（２π／３６）当たりに（（２π／３６）−（２π／３５））の位相ずれを生じ、出力軸３３の１回転で元に戻る。従って、予め出力軸３３の絶対回転位置と上記位相のずれとの関係を調べてテーブル化しておくことにより、位相ずれから出力軸３３の絶対回転位置を割り出すことができる。このようなテーブルは、制御装置２１に内蔵されている。
【００１８】
次に、上記のように構成された電動パワーステアリング装置の動作について説明する。なお、上記絶対回転位置の情報は、車輪の向きを考慮したより精密な制御に用いられるが、このことは本発明の本質的事項ではないので、以下の説明においては省略する。
図４は、制御装置２１において実行される動作のフローチャートの一例である。主として、ステップＳ１〜Ｓ５は演算手段２１ａ、ステップＳ６〜Ｓ８は駆動制御手段２１ｂとしての動作である。
【００１９】
まず、キースイッチ（図示せず。）のオン操作により制御装置２１に電源が供給され、図４のフローチャートの処理が開始される。制御装置２１は、ステップＳ１において、磁気センサＡ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３の各出力を所定のサンプリング周期で取り込み、これに基づいて前述の角変位θ１，θ２を得た後、ステップＳ２において、入力軸３２と出力軸３３との間の相対回転角度すなわち（θ１−θ２）の絶対値を算出する。この値はトーションバー３１の捻れ角であり、入力軸３２と出力軸３３との間で伝達されるトルクに相当する。そして制御装置２１は、この値が所定の不感帯の範囲内にあるかどうかを判断する（ステップＳ３）。ここで、範囲内のときはステップＳ１へ戻り、範囲外のときはステップＳ４へ進む。続いて制御装置２１は、車速センサ２２の出力から車速を算出し（ステップＳ４）、角変位θ１，θ２を時間でそれぞれ微分して角速度ω１，ω２を算出し、さらに微分して角加速度ω１’，ω２’を算出する（ステップＳ５）。
【００２０】
次に制御装置２１は、入力軸３２及び出力軸３３のそれぞれについての角変位に基づく情報から、入力軸３２と出力軸３３のどちらが動的に優位な状態であるかを判定する（ステップＳ６）。ここで、「動的に優位な」とは、より能動的な方を意味する。具体的には、不感帯を超えて入力軸３２と出力軸３３との間に付与されているトルクが、路面から伝わる外乱によって生じているものか、あるいは、ドライバ入力すなわちドライバのハンドル操作によって生じているものかを判定する。この判定は、角速度の比較又は角加速度の比較によって行われる。角速度は角変位の周波数と同じ意味を持ち、一般に能動的な方が、より高い周波数となるからである。また、角加速度は角変位の方向に付与される力を意味し、一般に能動的な方が強い力を付与しているからである。
【００２１】
すなわち、制御装置２１は、ω１＜ω２か又はω１’＜ω２’であれば外乱であると判定して逆アシストの動作を行い（ステップＳ７）、そのいずれでもない場合（ω１≧ω２かつω１’≧ω２’）はドライバ入力であると判定して順アシストの動作を行う（ステップＳ８）。このように、角速度比較及び角加速度比較を行って論理和的判断をすることにより、角速度（周波数）と力の両面から入力軸３２及び出力軸３３のどちらが優位にあるかを的確に判定することができる。なお、順アシストとは、ドライバ入力の方向にモータ６から補助力を付与することであり、この場合には、相対回転角度が不感帯内になるまで補助力が付与される。順アシストには車速も考慮され、速度感応型の操舵補助が行われる。一方、逆アシストは、外乱によって生じるトルクを減殺する方向にモータ６から操舵補助力を付与することである。なお、外乱によって操舵感覚の悪化が問題となるのは一般的に高速走行時である。従って、車速が一定の速度に達していない場合には、ステップＳ７において逆アシストの動作を見送るようにしてもよい。
【００２２】
図５は、例えば高速道路の継ぎ目の鉄板を自動車が通過したときに車輪の操舵方向に受ける外乱のトルク波形を示すグラフであり、横軸が時間、縦軸が外乱のトルクを示す。但し、この波形は、逆アシストを考慮しない場合の波形である。このような外乱に対して制御装置２１は、概ね図６に示すような逆アシストトルクを発生させる。具体的には、制御装置２１は、ステップＳ６において外乱と判定した場合、ステップＳ７において、その時点までのトルク（入力軸３２と出力軸３３との間の相対的なトルク）の時間積分値を、相対回転角度に基づいて算出し、その値よりやや小さい（例えば８０〜９０％）時間積分値となるようなトルクを逆アシスト方向に発生させるようにモータ６を駆動する。外乱の継続中はステップＳ７において逐次その時点での外乱トルクの時間積分値よりやや小さい時間積分値となるようなトルクを逆アシスト方向に与え続け、外乱を緩和する。そして、相対回転角度が不感帯内となったとき、逆アシストは終了となる。なお、外乱トルクのうち、逆アシストによって相殺された分以外（例えば１０〜２０％）は、ドライバが自然な保舵力でこれを負担する。
【００２３】
こうして、外乱の大部分を逆アシストによって打ち消しながらも、外乱の発生を軽度にドライバに伝える。従って、ドライバにとって不快な又は疲労の原因となるような強い外乱を抑制しつつ、適度にハンドルに外乱を伝えてドライバに路面の情報を把握させることができる。
なお、瞬時値としての外乱トルクに対してこれを直ちに相殺するような逆アシストを与えた場合には、却って不自然な操舵感となるのみならず、外乱もハンドルに伝わりにくい。これに対して、上記のように、積分値としての外乱トルクに基づいて逆アシストを行うことによって、より自然に外乱が緩和され、良好な操舵感が得られるとともに、外乱も確実に伝達される。
【００２４】
図７は、逆アシストのトルク波形の他の例を示すグラフである。この場合のトルク波形は、減衰振動的であり、ステップＳ７における逆アシストで、例えば初期には入出力軸間トルクの時間積分値の９０％、以後時間の経過に伴って５０％、８０％、５０％、７０％というように、逆アシストトルクを減衰振動的に落とすことによって達成できる。この場合、外乱の抑制はやや弱められるが、ドライバに対しては外乱の自然な収束感が与えられる。また、外乱のトルクがより多くドライバに伝えられるので、ドライバは、路面の状況を確実に把握することができる。
【００２５】
なお、上記実施形態では平歯車状のターゲット板３４〜３６を用いたが、これに代えてスリット状の多数の孔が周方向に等間隔で形成されたリング状のターゲットや、外周面に磁極のＮ・Ｓを交互に配置したターゲットを用いてもよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように構成された本発明は以下の効果を奏する。
請求項１の電動パワーステアリング装置によれば、入力軸より出力軸の方が動的に優位な場合、すなわち外乱の場合、入力軸と出力軸との間に相対的に生じているトルクの時間積分値より小さい時間積分値となるトルクを逆アシスト方向に発生させるように前記モータを駆動することにより、外乱の一部を逆アシストによって打ち消しながらも、外乱の発生を軽度にドライバに伝えることができる。従って、ドライバにとって不快な又は疲労の原因となるような強い外乱を抑制しつつ、適度にハンドルに外乱を伝えてドライバに路面の情報を把握させることができる。
【００２７】
また、請求項１の電動パワーステアリング装置によれば、角速度比較及び角加速度比較を行って論理和的判断をすることにより、角速度（周波数）と力の両面から入力軸及び出力軸のどちらが優位にあるかを的確に判定することができる。従って、より確実に外乱かドライバ入力かの判定を行うことができる。
【００２８】
請求項２の電動パワーステアリング装置によれば、逆アシストのトルク波形が減衰振動的に変化することで外乱の抑制はやや弱められるが、ドライバに対しては外乱の自然な収束感が与えられる。また、外乱のトルクがより多くドライバに伝えられるので、ドライバは、路面の状況を確実に把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による電動パワーステアリング装置の構造を模式的に示す図である。
【図２】上記電動パワーステアリング装置におけるトーションバー、入力軸、出力軸、各ターゲット板、及び、磁気センサを模式的に表した図である。
【図３】上記電動パワーステアリング装置における磁気センサからの出力信号（電圧）を示すグラフである。
【図４】上記電動パワーステアリング装置における制御装置において実行される動作のフローチャートである。
【図５】外乱のトルク波形の一例を示すグラフである。
【図６】外乱に対する逆アシストのトルク波形の一例を示すグラフである。
【図７】外乱に対する逆アシストのトルク波形の他の例を示すグラフである。
【符号の説明】
３操舵軸
６モータ
２１ａ演算手段
２１ｂ駆動制御手段
３１トーションバー
３２入力軸
３３出力軸
３４第１ターゲット板
３５第２ターゲット板
Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２磁気センサ

Claims

操舵部材から操向車輪に至る操舵系にモータの回転力を付与して操舵アシストを行う電動パワーステアリング装置において、
前記操舵部材に連結される入力軸と、
前記入力軸にトーションバーを介在させて連結された出力軸と、
前記入力軸の回転に応じた信号を出力する入力軸回転検出手段と、
前記出力軸の回転に応じた信号を出力する出力軸回転検出手段と、
前記入力軸回転検出手段及び出力軸回転検出手段の各出力に基づいて、前記入力軸と出力軸との間で伝達されるトルク及び、前記入力軸及び出力軸のそれぞれについて角変位に基づく角速度及び角加速度を含む情報を算出する演算手段と、
前記トルクに応じた操舵補助力を、前記モータを駆動することにより生じさせる駆動制御手段とを備え、
前記駆動制御手段は、前記角速度及び角加速度を含む情報から前記入力軸及び出力軸のどちらが動的に優位であるかを少なくとも当該角速度比較又は角加速度比較のいずれか一方を行って論理和的判断をすることにより、前記入力軸より出力軸の方が動的に優位な場合、前記トルクの時間積分値より小さい時間積分値となるトルクを逆アシスト方向に発生させるように前記モータを駆動することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
逆アシスト方向に発生させるトルクの波形は、減衰振動的波形である請求項１記載の電動パワーステアリング装置。