JP4577494B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、操舵補助力をモータによって付与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においては、操舵トルクと基本アシストトルクとの対応関係をアシスト特性として記憶し、トルクセンサにより操舵トルクを検出し、検出操舵トルクとアシスト特性に基づき求められる基本アシストトルクに応じた操舵補助力が発生するように操舵補助力発生用モータを制御している。

そのような電動パワーステアリング装置においては、舵角変化を生じない保舵状態や舵角を零に戻すための戻し操舵状態で、路面から車輪を介してドライバーに作用する負荷を軽減することが要望されている。そこで、一定の操舵トルクに対応する基本アシストトルクを、戻し操舵状態および保舵状態においては舵角の大きさを大きくする切り込み操舵状態におけるよりも大きくするように、記憶されたアシスト特性を遷移させることが提案されている（特許文献１参照）。
特開２００４−１６３０号公報

しかし、上記従来技術においてはアシスト特性の遷移により操舵フィーリングが悪化するという問題がある。例えば、保舵状態で操舵補助力を大きくすると、保舵状態から切り込み操舵状態へ移行する当初は操舵補助力が過大になってしまう。また、一定の操舵トルクに対応する基本アシストトルクがアシスト特性の遷移により大きく変化する場合、操舵補助力が急激に変化してしまう。本発明は、そのような問題を解決することのでき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。

本発明は、操舵補助力を発生するモータと、操舵トルクを検出するトルクセンサと、操舵トルクと基本アシストトルクとの対応関係をアシスト特性として記憶する手段と、検出操舵トルクと前記アシスト特性に基づき求められる基本アシストトルクに応じた操舵補助力が発生するように、前記モータを制御する手段とを備え、一定の操舵トルクに対応する基本アシストトルクが、戻し操舵状態および保舵状態においては設定操舵速度を超える切り込み操舵状態におけるよりも大きくなるように、記憶された前記アシスト特性が遷移される電動パワーステアリング装置に適用される。

本発明の一つの特徴は、前記アシスト特性の遷移速度が、切り込み操舵時は戻し操舵時よりも速くなるという設定条件に従い変更される点にある。これにより、保舵状態から切り込み操舵状態に移る当初に操舵補助力が過大になるのを防止できる。

本発明の別の一つの特徴は、前記アシスト特性の遷移による一定の操舵トルクに対応する基本アシストトルクの変化の量が、車両の運転状態に応じて変更され、前記アシスト特性の遷移速度が、そのアシスト特性の遷移による一定の操舵トルクに対応する基本アシストトルクの変化の量が大きい程に遅くなるという設定条件に従って変更される点にある。これにより、一定の操舵トルクに対応する基本アシストトルクがアシスト特性の遷移により大きく変化する場合でも、操舵補助力が急激に変化することはない。

検出操舵トルクの値のシフト量を求める手段と、その求めたシフト量だけシフトされた検出操舵トルクの値に対応するトルク信号から高周波成分を除去するローパスフィルタと、前記ローパスフィルタのカットオフ周波数の変更手段とが設けられ、そのシフト量だけシフトされた検出操舵トルクに対応する基本アシストトルクが前記アシスト特性から求められることで、記憶された前記アシスト特性が遷移され、前記ローパスフィルタのカットオフ周波数が変更されることで、前記アシスト特性の遷移速度が変更されるのが好ましい。これにより、シンプルな構成で本発明を実施することができる。

本発明の電動パワーステアリング装置によれば、戻し操舵状態や保舵状態における操舵補助力と切り込み操舵状態における操舵補助力とを相違させる場合に操舵フィーリングが悪化するのをシンプルな構成で防止できる。

図１に示す第１実施形態の車両用電動パワーステアリング装置１は、操舵によるステアリングホイール２の回転を舵角が変化するように車輪３に伝達する機構を備える。本実施形態では、ステアリングホイール２の回転がステアリングシャフト４を介してピニオン５に伝達されることで、ピニオン５に噛み合うラック６が移動し、そのラック６の動きがタイロッド７やナックルアーム８を介して車輪３に伝達されることで舵角が変化する。

ステアリングホイール２の回転を車輪３に伝達する経路に作用する操舵補助力を発生するモータ１０が設けられている。本実施形態では、モータ１０の出力シャフトの回転を減速ギヤ機構１１を介してステアリングシャフト４に伝達することで操舵補助力を付与する。

モータ１０は駆動回路２１を介してコンピュータにより構成される制御装置２０に接続される。制御装置２０に、ステアリングホイール２の操舵トルクＴを検出するトルクセンサ２２、ステアリングホイール２の回転角度に対応する操舵角度θ_h を検出する舵角センサ２３、車速Ｖを検出する車速センサ２４、モータ１０の駆動電流ｉを検出する電流センサ２６が接続される。

図２、図３は制御装置２０によるモータ１０の制御ブロック線図を示す。
図２に示すように、トルクセンサ２２による検出操舵トルクＴに、シフト量演算部３０により求められたシフト量ΔＴを加算部３１において加算することで、検出操舵トルクＴの値がシフト量ΔＴだけシフトされる。

図３に示すように、シフト量演算部３０は、基本シフト量演算要素３０ａ、シフト用車速ゲイン演算要素３０ｂ、操舵速度ゲイン演算要素３０ｃを有する。

基本シフト量演算要素３０ａにおいては、操舵トルクＴと基本シフト量ΔＴｏとの対応関係が例えばテーブルや演算式として記憶され、検出操舵トルクＴに対応する基本シフト量ΔＴｏが演算される。本実施形態では、基本シフト量ΔＴｏは操舵トルクＴが第１設定値Ｔ１に至るまでは零とされ、第２設定値Ｔ２に至るまでは操舵トルクＴに比例し、その後は一定とされる。これにより、舵角が零近傍の直進走行状態において操舵補助力が発生することはないものとされている。また、保舵状態や戻し操舵状態においてドライバーの負荷が大きい程に操舵補助力を大きくしている。操舵トルクＴと基本シフト量ΔＴｏの正負の符号は右操舵時と左操舵時とで逆とすればよいので、図では左右一方に操舵された時の対応関係のみを示し、左右他方に操舵された時の対応関係の図示は省略している。なお、操舵トルクＴと基本シフト量ΔＴｏとの対応関係は図示のものには限定されない。

シフト用車速ゲイン演算要素３０ｂにおいては、車速Ｖとシフト用車速ゲインＧｖ′との対応関係が例えばテーブルや演算式として記憶され、検出車速Ｖに対応するシフト用車速ゲインＧｖ′が演算される。本実施形態では、シフト用車速ゲインＧｖ′は車速Ｖが設定値Ｖ１に至るまでは車速Ｖに比例し、その後は一定とされる。これにより、高車速で走行安定性が必要な場合の保舵状態や戻し操舵状態において操舵補助力を大きくしている。なお、車速Ｖとシフト用車速ゲインＧｖ′との対応関係は図示のものに限定されない。

操舵速度ゲイン演算要素３０ｃにおいては、操舵速度ｄθ_h ／ｄｔと操舵速度ゲインＫとの対応関係が例えばテーブルや演算式として記憶され、微分要素３０ｅでの検出操舵角度θ_h の微分により求められる操舵速度ｄθ_h ／ｄｔに対応する操舵速度ゲインＫが演算される。本実施形態では、操舵速度ｄθ_h ／ｄｔの正負の符号は切り込み操舵状態で正、戻し操舵状態では負とされ、符号決定要素３０ｆにて符号が定められる。例えば、検出操舵角度θ_h の正負の符号と検出操舵トルクＴの正負の符号が一致する場合は切り込み操舵状態で操舵速度ｄθ_h ／ｄｔの符号は正と判定され、一致しない場合は戻し操舵状態で操舵速度ｄθ_h ／ｄｔの符号は負と判定される。なお、操舵速度ｄθ_h ／ｄｔに替えてモータ角速度や、トーションバー下側の角速度ｄθ_p ／ｄｔを用いて状態を判定してもよい。操舵速度ゲインＫは、操舵速度ｄθ_h ／ｄｔの値が負すなわち戻し操舵状態である場合と、操舵速度ｄθ_h ／ｄｔが零すなわち保舵状態である場合と、操舵速度ｄθ_h ／ｄｔが正であって第１設定値ω１に至るまでは一定とされ、第１設定値ω１から第２設定値ω２に至るまでは操舵速度ｄθ_h ／ｄｔに反比例し、第２設定値ω２を超えた後は零とされる。これにより、戻し操舵状態と保舵状態においては設定操舵速度（本実施形態では第２設定値ω２）を超える切り込み操舵状態におけるよりも操舵補助力が大きくされる。また、切り込み操舵状態であっても操舵速度ｄθ_h ／ｄｔが第１設定値ω１に至るまでは操舵速度ゲインＫが一定とされることで、切り込み方向にゆったり操舵する保舵状態に近いような場合は操舵補助力を大きくできる。なお、その設定操舵速度を零とし、切り込み操舵状態になれば保舵状態におけるよりも操舵補助力を小さくするようにしてもよい。

乗算部３０ｇ、３０ｉにおいて基本シフト量ΔＴｏ、シフト用車速ゲインＧｖ′、および操舵速度ゲインＫの積を求めローパスフィルタ６１′を介することでシフト量ΔＴが求められる。上記のように、加算部３１においてトルクセンサ２２による検出操舵トルクＴに求めたシフト量ΔＴを加算することで、検出操舵トルクＴはシフト量ΔＴだけシフトされる。演算部４１においては、操舵トルクＴと基本アシスト電流ｉｏとの対応関係が例えばテーブルや演算式として記憶され、シフトされた検出操舵トルクの値（Ｔ＋ΔＴ）に対応する基本アシスト電流ｉｏが演算される。ローパスフィルタ６１により、シフト量ΔＴだけシフトされた検出操舵トルクの値（Ｔ＋ΔＴ）に対応するトルク信号から不要な高周波成分が除去される。操舵トルクＴと基本アシスト電流ｉｏとの対応関係は、例えば演算部４１に示すように、操舵トルクＴの大きさが大きくなる程に基本アシスト電流ｉｏの大きさが大きくなるものとされる。操舵トルクＴと基本アシスト電流ｉｏの正負の符号は、右操舵時と左操舵時とで逆とされる。

基本アシスト電流ｉｏがモータ１０の目標駆動電流となり、基本アシスト電流ｉｏと求めた駆動電流ｉとの偏差を低減するようにモータ１０をフィードバック制御することで操舵補助力を付与する。基本アシスト電流ｉｏは基本アシストトルクＴｏに対応する。図２の演算部４１における操舵トルクＴと基本アシスト電流ｉｏの関係は車速Ｖが一定である場合を図示するが、操舵トルクＴと基本アシスト電流ｉｏの関係は車速Ｖによって変化する。例えば、操舵トルクＴが一定であれば車速Ｖが減少する程に基本アシスト電流ｉｏが大きくなるものとされている。演算部４１においては、予め定めた複数の設定車速毎に操舵トルクＴと基本アシスト電流ｉｏとの対応関係が例えばテーブルとして記憶され、検出車速Ｖが設定車速間の値である場合は補間演算により操舵トルクＴと基本アシスト電流ｉｏとの対応関係が求められる。これにより、操舵トルクＴと基本アシストトルクＴｏとの対応関係がアシスト特性として記憶され、そのアシスト特性と検出操舵トルクＴに基づき求められる基本アシストトルクＴｏに応じた操舵補助力が発生するようにモータ１０が制御されることになる。

上記構成によれば、設定操舵速度ω２を超える切り込み操舵状態においては、検出操舵トルクＴに対応する基本アシストトルクＴｏに応じた操舵補助力を発生するようにモータ１０が制御装置２０により制御される。また、戻し操舵状態、保舵状態、および設定操舵速度ω２以下の切り込み操舵状態においては、シフト量ΔＴだけシフトされた検出操舵トルクの値（Ｔ＋ΔＴ）に対応する基本アシストトルクＴｏに応じた操舵補助力を発生するようモータ１０が制御装置２０により制御される。すなわち、シフト量ΔＴだけシフトされた検出操舵トルクＴの値（Ｔ＋ΔＴ）に対応する基本アシストトルクＴｏが記憶されたアシスト特性から求められることで、一定の操舵トルクに対応する基本アシストトルクＴｏが、戻し操舵状態および保舵状態においては設定操舵速度ω２を超える切り込み操舵状態におけるよりも大きくなるように、記憶されたアシスト特性が遷移されることになる。例えば、図４において実線Ｌで示す設定操舵速度ω２を超える切り込み操舵状態でのアシスト特性において、ある一定の操舵トルクＴの値αでの基本アシストトルクＴｏの値をβ、その一定の操舵トルクＴの値αをシフト量ΔＴだけシフトした値α＋ΔＴでの基本アシストトルクＴｏの値をβ′とする。この場合、切り込み操舵状態では実線Ｌで示すアシスト特性が、戻し操舵状態および保舵状態においては二点鎖線Ｌ′で示すような、その一定の操舵トルクＴの値αでの基本アシストトルクＴｏの値がβ′のアシスト特性に仮想的に遷移されることになる。また、そのアシスト特性の遷移による一定の操舵トルクＴに対応する基本アシストトルクＴｏの変化の量は、基本シフト量ΔＴｏ、シフト用車速ゲインＧｖ′、および操舵速度ゲインＫの積により求められるシフト量ΔＴに対応することから、車速Ｖ、操舵トルクＴ、操舵角度θ_h といった車両の運転状態に応じて変更されることになる。

図４における実線Ｌで示すアシスト特性と二点鎖線Ｌ′で示すアシスト特性との間におけるようなアシスト特性の遷移の速度が、設定条件に従って変更される。本実施形態においては、そのアシスト特性の遷移速度は、切り込み操舵時は戻し操舵時よりも速くなるという設定条件に従い変更される。図２に示すように、制御装置２０の操舵状態判定部４５における切り込み操舵状態か戻し操舵状態かの判定結果に応じて、ローパスフィルタ６１の時定数ｔが変更され、これによりローパスフィルタ６１のカットオフ周波数１／（２πｔ）が変更される。なお、切り込み操舵状態か戻し操舵状態かの判定は、例えば、操舵速度ｄθ_h ／ｄｔの正負の符号と検出操舵トルクＴの正負の符号が一致する場合は切り込み操舵状態と判定され、一致しない場合は戻し操舵状態と判定される。シフト量ΔＴだけシフトされた検出操舵トルクの値（Ｔ＋ΔＴ）に対応するトルク信号が、ローパスフィルタ６１を介して演算部４１に入力され、その値（Ｔ＋ΔＴ）に対応する基本アシストトルクＴｏが求められることで記憶されたアシスト特性が遷移される。よって、ローパスフィルタ６１のカットオフ周波数１／（２πｔ）が変更されることで、検出操舵トルクＴの値がシフト量ΔＴだけシフトされる時にトルク信号の伝送速度が変化し、アシスト特性の遷移速度が変更される。本実施形態では、ローパスフィルタ６１の時定数ｔは切り込み操舵時の値は戻し操舵時の値よりも小さくされる。例えば図５に示す周波数応答特性を表すボード線図は、横軸がローパスフィルタ６１を通過するトルク信号の周波数（Ｈｚ）、縦軸がそのトルク信号の入力に対する出力の振幅比（ｄＢ）を表し、戻し操舵時の特性が２点鎖線で表され、切り込み操舵時の特性が実線で表される。

図６のフローチャートは制御装置２０によるモータ１０の制御手順を示す。まず、各センサによる検出値Ｖ、θ_h 、Ｔ、ｉを読み込み（ステップＳ１）、操舵速度ｄθ_h ／ｄｔと検出操舵トルクＴの正負の符号から、操舵状態が切り込み操舵状態か戻し操舵状態か保舵状態かを判定し（ステップＳ２）、切り込み操舵状態であればローパスフィルタ６１の時定数ｔの値を予め定めた第１設定値ｔ１とし（ステップＳ３）、戻し操舵状態であれば第１設定値ｔ１よりも大きな予め定めた第２設定値ｔ２とする（ステップＳ４）。次に、時系列に求めた操舵角度θ_h を微分することで操舵速度ｄθ_h ／ｄｔを求め（ステップＳ５）、求めた操舵速度ｄθ_h ／ｄｔ、検出操舵トルクＴ、検出車速Ｖ、検出操舵角度θ_h と検出操舵トルクＴの正負の符号からシフト量ΔＴを求める（ステップＳ６）。なお、ステップＳ２で保舵状態である場合はステップＳ５に進む。次に、シフト量ΔＴだけシフトされた検出操舵トルクの値（Ｔ＋ΔＴ）を求め（ステップＳ７）、そのシフトされた検出操舵トルクの値（Ｔ＋ΔＴ）に対応する基本アシスト電流ｉｏを求め（ステップＳ８）、基本アシスト電流ｉｏと検出駆動電流ｉとの偏差を低減するようにモータ１０をフィードバック制御する（ステップＳ９）。しかる後に制御を終了するか否かを例えばイグニッションスイッチがオンかオフかにより判断し（ステップＳ１０）、制御を終了しない場合はステップＳ１に戻る。

上記第１実施形態によれば、アシスト特性の遷移速度は、切り込み操舵時は戻し操舵時よりも速くなるという設定条件に従い変更されるので、保舵状態から切り込み操舵状態に移るアシスト特性の遷移当初に操舵補助力の変化が遅れて操舵補助力が過大になるのを、アシスト特性の遷移速度を速くすることで防止できる。

図７〜図９は第２実施形態を示す。以下、第１施形態と同様部分は同一符号で示すと共に相違点を説明する。第１実施形態との相違は、アシスト特性の遷移速度は、切り込み操舵時は戻し操舵時よりも速くなるという設定条件に代えて、そのアシスト特性の遷移による一定の操舵トルクＴに対応する基本アシストトルクＴｏの変化の量が大きい程に遅くなるという設定条件に従って変更される点にある。本実施形態では、アシスト特性の遷移による一定の操舵トルクＴに対応する基本アシストトルクＴｏの変化の量はシフト量ΔＴに対応することから、第１実施形態の操舵状態判定部４５に代えてシフト量判定部４６の判定結果に応じてローパスフィルタ６１の時定数ｔが変更され、これによりローパスフィルタ６１のカットオフ周波数１／（２πｔ）が変更される。すなわち、ローパスフィルタ６１の時定数ｔはシフト量ΔＴの大きさが大きい程に大きくされる。例えば図８に示すように、シフト量ΔＴが零の時の特性が実線で表され、シフト量ΔＴの増加時の特性が一点鎖線で表される。なお、時定数ｔはシフト量ΔＴの大きさに応じて連続的に変化してもよいし段階的に変化してもよい。他は第１実施形態と同様とされる。

図９のフローチャートは制御装置２０によるモータ１０の制御手順を示す。まず、各センサによる検出値Ｖ、θ_h 、Ｔ、ｉを読み込み（ステップＳ１０１）、シフト量ΔＴの大きさに応じてローパスフィルタ６１の時定数ｔを設定する（ステップＳ１０２）。なお、制御開始時はシフト量ΔＴとして予め定めた初期値を用いればよく、例えば初期値は零とされる。次に、時系列に求めた操舵角度θ_h を微分することで操舵速度ｄθ_h ／ｄｔを求め（ステップＳ１０３）、検出操舵角度θ_h と検出操舵トルクＴの正負の符号、求めた操舵速度ｄθ_h ／ｄｔ、検出操舵トルクＴ、検出車速Ｖからシフト量ΔＴを求める（ステップＳ１０４）。次に、シフト量ΔＴだけシフトされた検出操舵トルクの値（Ｔ＋ΔＴ）を求め（ステップＳ１０５）、そのシフトされた検出操舵トルクの値（Ｔ＋ΔＴ）に対応する基本アシスト電流ｉｏを求め（ステップＳ１０６）、基本アシスト電流ｉｏと検出駆動電流ｉとの偏差を低減するようにモータ１０をフィードバック制御する（ステップＳ１０７）。しかる後に制御を終了するか否かを例えばイグニッションスイッチがオンかオフかによって判断し（ステップＳ１０８）、制御を終了しない場合はステップＳ１０１に戻る。

上記第２実施形態によれば、アシスト特性の遷移速度はシフト量ΔＴが大きい程に遅くなるという設定条件に従い変更されるので、一定の操舵トルクＴに対応する基本アシストトルクＴｏがアシスト特性の遷移により大きく変化する場合でも、操舵補助力が急激に変化することはなく、アシスト特性の遷移当初に操舵補助力の過不足が生じるのをアシスト特性の遷移速度を遅くすることで防止できる。

本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、ステアリングホイールの回転を舵角が変化するように車輪に伝達する機構は実施形態に限定されず、ステアリングホイールの回転をステアリングシャフトからラックピニオン以外のリンク機構を介して車輪に伝達するようなものでもよい。さらに、操舵補助力発生用モータの出力の操舵系への伝達機構は操舵補助力を付与することができれば実施形態に限定されず、例えばラックと一体のボールスクリューにねじ合わされるボールナットをモータの出力により駆動することで操舵補助力を付与してもよい。

本発明の実施形態の電動パワーステアリング装置の構成説明図 本発明の第１実施形態の電動パワーステアリング装置の制御ブロック線図 本発明の第１実施形態の電動パワーステアリング装置におけるシフト量を求めるための制御ブロック線図 本発明の実施形態の電動パワーステアリング装置における操舵トルクと基本アシストトルクとの間の関係を示す図 本発明の第１実施形態の電動パワーステアリング装置におけるローパスフィルタを通過するトルク信号の周波数応答特性を示す図 本発明の第１実施形態の電動パワーステアリング装置における制御手順を示すフローチャート 本発明の第２実施形態の電動パワーステアリング装置の制御ブロック線図 本発明の第２実施形態の電動パワーステアリング装置におけるローパスフィルタを通過するトルク信号の周波数応答特性を示す図 本発明の第２実施形態の電動パワーステアリング装置における制御手順を示すフローチャート

符号の説明

１ 電動パワーステアリング装置
１０ モータ
２０ 制御装置
２２ トルクセンサ
６１ ローパスフィルタ

Claims (3)

1. 操舵補助力を発生するモータと、
   操舵トルクを検出するトルクセンサと、
   操舵トルクと基本アシストトルクとの対応関係をアシスト特性として記憶する手段と、
   検出操舵トルクと前記アシスト特性に基づき求められる基本アシストトルクに応じた操舵補助力が発生するように、前記モータを制御する手段とを備え、
   一定の操舵トルクに対応する基本アシストトルクが、戻し操舵状態および保舵状態においては設定操舵速度を超える切り込み操舵状態におけるよりも大きくなるように、記憶された前記アシスト特性が遷移される電動パワーステアリング装置において、
   前記アシスト特性の遷移速度が、切り込み操舵時は戻し操舵時よりも速くなるという設定条件に従い変更されることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 操舵補助力を発生するモータと、
   操舵トルクを検出するトルクセンサと、
   操舵トルクと基本アシストトルクとの対応関係をアシスト特性として記憶する手段と、
   検出操舵トルクと前記アシスト特性に基づき求められる基本アシストトルクに応じた操舵補助力が発生するように、前記モータを制御する手段とを備え、
   一定の操舵トルクに対応する基本アシストトルクが、戻し操舵状態および保舵状態においては設定操舵速度を超える切り込み操舵状態におけるよりも大きくなるように、記憶された前記アシスト特性が遷移される電動パワーステアリング装置において、
   前記アシスト特性の遷移による一定の操舵トルクに対応する基本アシストトルクの変化の量が、車両の運転状態に応じて変更され、
   前記アシスト特性の遷移速度が、そのアシスト特性の遷移による一定の操舵トルクに対応する基本アシストトルクの変化の量が大きい程に遅くなるという設定条件に従い変更されることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
3. 検出操舵トルクの値のシフト量を求める手段と、
   その求めたシフト量だけシフトされた検出操舵トルクの値に対応するトルク信号から高周波成分を除去するローパスフィルタと、
   前記ローパスフィルタのカットオフ周波数の変更手段とが設けられ、
   そのシフト量だけシフトされた検出操舵トルクに対応する基本アシストトルクが前記アシスト特性から求められることで、記憶された前記アシスト特性が遷移され、
   前記ローパスフィルタのカットオフ周波数が変更されることで、前記アシスト特性の遷移速度が変更される請求項１または２に記載の電動パワーステアリング装置。

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