JP5123143B2 - 車両の電動パワーステアリング装置 - Google Patents

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Description

この発明は、操舵時の運転者の負担を低減するために、電動モータ等のアクチュエータの動力を操舵系に伝えてステアリングホイールの操作負担を軽減する車両の電動パワーステアリング装置に関する。
車両が部分凍結路のような路面反力が変動する路面を走行中、特に旋回時においては、凍結部分に車輪(操向車輪)が進入した時点で、タイヤと路面との摩擦係数が急激に低下する。これにより路面反力が急減し、それまでの保舵力と路面反力とのバランスが崩れることによって、舵角が切れ込んでしまう。タイヤと路面との摩擦係数が低いままであれば、舵角が切れ込んでしまうことによって車輪の横力は大きく変化しないため、車両挙動の変化は大きくならないが、車輪が凍結部分から脱出してタイヤと路面との摩擦係数が増加した時点で、タイヤのグリップ力が回復し、切れ込んだ舵角に応じて前輪の発生する力が増加する為、車両挙動が乱れる。
この急激な前輪発生力変化に対する車両の安定性を向上させる技術が提案されている(特許文献1)。
この特許文献1に係る技術では、ラック負荷の変化率が大きくなるほど、操舵反力(操舵力に対抗する操舵抵抗力)を大きくすることで、路面反力の急変時における操舵力、保舵力への影響を低減するように構成している。
この特許文献1には、前記ラック負荷(の推定値)の求め方が記載されている。なお前記ラック負荷を時間微分することで前記ラック負荷変化率を求めることができる。ラック負荷は、次の(1)式で求めることができる。
Fr=Fp+Fm …(1)
ここで、Frはラック負荷、Fpはピニオンからのラック軸力、Fmは電動モータからのラック軸力である。
ピニオンからのラック軸力Fpは、操舵トルクTsをピニオンのピッチ円半径rpで割った値で求める(Fp=Ts/rp)。また、電動モータからのラック軸力Fmは、電動モータの出力軸トルクTmにモータ出力ギヤ比Nをかけた値で求める(Fm=N・Tm)。なお、電動モータの出力軸トルクTmは、以下の計算により求めることができる(特許文献1の段落[0020]−[0026])。
Tm=Kt・Im−Jm・θm´´−Cm・θm´±Tf
Kt:モータトルク定数
Im:モータ電流
Jm:モータの回転部分の慣性モーメント(設計値・定数)
θm´:モータ角速度
θm´´:モータ角加速度(モータ角速度θm´の微分値)
Cm:モータ粘性係数
Tf:フリクショントルク
なお、モータ角速度θm´は、モータ逆起電力から次式により求める。
θm´=(Vm−Im・Rm)/Km
Vm:モータ電圧(電圧センサ31の出力)
Rm:モータ抵抗(設計値・定数)
Km:モータの誘導電圧定数
また、モータ角速度θm´は、ステアリングシャフトの回転角度を検出する操舵角センサの出力である舵角(操舵角)θsの微分値θs´から次式により求めることもできる。
θm´=(θs´−Ts´/Ks)N
Ks:トルクセンサのばね定数
Ts´:操舵トルクTsの微分値
以上により求めたピニオンからのラック軸力Fpとモータからのラック軸力Fmとは、実用上は位相補償フィルタを通すことにより、Fp・Fm間の位相ずれを補正すると良い。
特開平11−49000号公報(図5)
ところで、電動パワーステアリング装置では、基本的には、車速が低くなるほど、ステアリングホイールの操舵力(操舵トルク)に対する電動モータによるアシスト量、換言すれば電動モータに供給されるモータ電流が大きくなるように設定されている。
すなわち、電動パワーステアリング装置では、操舵トルク検出値と車速に基づき電動モータによる操舵補助力を決定しているために、例えば、定常旋回(保舵)を行っている場合に、不整路面(凹凸路面、段差を有する路面)によるラック負荷の変動(時間変化)に基づく、いわゆるキックバック(荒れた路面等を走るときにステアリングホイールに伝わってくる強い反動)やトルクステア(左右の車輪で発生するトルク差を原因としてステアリングホイールに伝わるトルク)によるステアリングホイール上の操舵力の変動を十分に遮断することができない。
また、直進走行時には、運転者による保舵力が小さいか、もしくは保舵力をほとんど発生させていない、運転者が意識的にステアリングホイールを保持していない場合があり、このような状況下では、不整路面(凹凸路面、段差を有する路面)によるラック負荷変動に基づくキックバックやトルクステアによるステアリングホイール角の乱れが一層大きくなることが想定される。
この発明は、上述した技術及び課題を考慮してなされたものであり、走行中における不整路面(路面の不整)等の影響により、ラックに加えられる負荷が変動し、その結果生じるステアリングホイール上の操舵力の変動を効果的に抑制乃至遮断することを可能とす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。
この発明に係る電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイールの操舵を車輪に伝えるラックアンドピニオン機構と、前記ステアリングホイールの操舵に応じた操舵補助力を発生するための駆動信号を発生する駆動信号発生部と、前記駆動信号を受け、前記操舵補助力を前記ラックを通じて前記車輪に伝える操舵補助力発生用のアクチュエータと、前記ラックにかかる負荷の変化率を算出するラック負荷変化率算出部と、前記ステアリングホイールの操舵速度が所定速度以下である場合に、前記ラック負荷変化率算出部により算出される前記ラック負荷変化率が所定値以上となったとき、前記ラック負荷変化率を打ち消す方向の前記駆動信号の補正信号を発生して前記アクチュエータに供給する補正信号発生部と、を備えることを特徴とする。
なお、操舵速度は、直接ステアリングホイールの操舵速度を測る以外にも、間接的に、アクチュエータ、例えば電動モータの回転速度やラックストローク速度を測っても求めることができる。よって、操舵速度には、ステアリングホイールの操舵速度以外にも、アクチュエータの速度、ラックストローク速度が含まれる。
また、ラック負荷変化率の前記所定値は、車両個々に実験走行あるいはシミュレーションにより予め決定することができる。実車では、所定値を可変にする仕組みを設けてもよい。
この発明によれば、ステアリングホイールの操舵速度が所定速度以下である場合{定常旋回(保舵)時や直進走行時}に、ラック負荷変化率算出部により算出されるラック負荷変化率が所定値以上となったとき、ラック負荷変化率を打ち消す方向の駆動信号の補正信号を発生し、該補正信号を、通常の操舵補助力を発生する駆動信号に合成して前記アクチュエータに供給する構成としたので、走行中における不整路面(路面の不整)によるステアリングホイール上の操舵力の変動を効果的に抑制乃至遮断することができる。
以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、この発明の一実施形態に係る車両の電動パワーステアリング装置10の概略構成図である。
この電動パワーステアリング装置10は、ピニオン18aとラック18bとからなるラックアンドピニオン機構18と、電動モータであるEPS(Electric Power Steering)モータ36を含む補助ラックアンドピニオン機構38と、を有する車輪22(操向車輪)の操舵機構11を備える。
運転者の手動によるステアリングホイール12の操舵力は、ステアリングシャフト14を介して操舵機構11を構成するラックアンドピニオン機構18に伝えられる。ステアリングシャフト14には、ステアリングトルク(操舵トルク)Tsを検出する操舵トルクセンサ16と、舵角(操舵角)θsを検出する操舵角センサ42とが設けられている。
ステアリングホイール12の操舵に基づきステアリングシャフト14からピニオン18aが受けた回転運動は、ラック18bの軸方向の直線運動に変換され、タイロッド20を介して車輪22(前輪)の走行方向を変化させる。
このときステアリングホイール12の手動による操舵力をアシストするために、操舵トルクセンサ16により検出された操舵トルクTsが制御装置であるEPSコントローラ30に入力される。
EPSコントローラ30には、操舵トルクTsの他、舵角θs、車速センサ32からの車速V、EPSモータ36に取り付けられた電流・電圧・角速度センサ44に基づくモータ電流Im、モータ電圧Vm、モータ角速度θm´(dθm/dt、θmは回転角度)[rad/s]等が入力され、これらの入力情報に応じて、手動によるステアリングホイール12の操舵力をアシストするモータ電流Iepsを決定し、補助トルク(操舵補助力)を発生させるための駆動信号(ここでは、モータ電流Ieps)としてEPSモータ36に供給する。
ここで、EPSコントローラ30は、ECU(Electronic Control Unit)により構成され、ECUは、マイクロコンピュータを含む計算機であり、CPU(中央処理装置)、メモリであるROM(EEPROMも含む。)、RAM(ランダムアクセスメモリ)、その他、A/D変換器、D/A変換器等の入出力装置、計時手段としてのタイマ等を有しており、CPUがROMに記録されているプログラムを読み出し実行することで各種機能実現部、たとえば制御部、演算部、処理部等として機能する。これらの機能は、ハードウエアにより実現することもできる。その場合、用語「〜部」は、「〜回路」、「〜器」、または「〜装置」に置換する。
この実施形態において、EPSコントローラ30は、モータ電流発生部52、目標電流発生部54、補正電流発生部56、ラック負荷算出部58、ラック負荷変化率算出部60、及び舵角速度算出部62等として機能する。
目標電流発生部54は、図2の符号54で示す特性(マップ)を有し、車速Vをパラメータとして、操舵トルクTsに対する目標電流Id(EPSモータ36の目標トルクに対応する。)を発生させる(算出する)。
補正電流発生部56は、後述する所定条件下に補正電流Ia(後述)を発生する。この補正電流Iaと目標電流Id(後述)が合成され、補正後のモータ電流Ieps(Ieps=Id+Ia)としてEPSモータ36に供給される。なお、後述する第1実施例での補正電流発生部は、補正電流発生部56といい、後述する第2実施例での補正電流発生部は、補正電流発生部56aという。
ラック負荷算出部58は、上述した(1)式によりラック負荷Fr算出する。(1)式を再掲する。
Fr=Fp+Fm …(1)
Fr:ラック負荷
Fp:ピニオン18aからのラック軸力
Fp=操舵トルク(Ts)÷ピニオン18aのピッチ円半径(rp)
=Ts/rp
Fm:EPSモータ36からのラック軸力
Fm=EPSモータ36の出力軸トルクTm×モータ出力ギヤ比N
=N・Tm
ラック負荷変化率算出部60は、前回のサンプリング時に算出したラック負荷Frn−1と今回のサンプリング時に算出したラック負荷Frnの差分としてラック負荷変化率Fr´=dFr/dt(dFr/dt=Frn−Frn−1)を算出する。ラック負荷変化率Fr´の絶対値をABS(Frn−Frn−1)と表し、ラック負荷の変化方向の符号を、前回のサンプリング時に算出したラック負荷Frn−1から今回のサンプリング時に算出したラック負荷Frnの差の正負に求める。差(Frn−1−Frn)が正である場合には、SIGN(Frn−1−Frn)=+1、差が負である場合には、SIGN(Frn−1−Frn)=−1と求まる。
図1に示したラック負荷変化率算出部60は、図2に示すように、ラック負荷変化率絶対値ABS(Frn−Frn−1)と、ラック負荷変化率Fr´の変化方向(正又は負)の符号SIGN(Frn−1−Frn)を算出する。なお、ラック負荷変化率変化方向符号SIGN(Frn−1−Frn)は、操舵トルクセンサ16からの操舵トルクTsの変化方向で代替することができる。
さらに、舵角速度算出部(舵角変化率算出部)62は、操舵角センサ42からの舵角θsの変化率である舵角速度(ステアリングホイール12の操舵速度)dθs/dt=θs´を算出する。なお、舵角速度dθs/dtは、EPSモータ36に設けられたモータ回転速度センサを用いて算出することもできる。
A.第1実施例の説明
図2は、第1実施例に係る補正電流発生部56を含むEPSコントローラ30(モータ電流発生部52)の構成を示す機能ブロック図である。
この第1実施例では、モータ電流Iepsを、目標電流発生部54で発生した目標電流Idと、補正電流発生部56で発生した補正電流Iaの和として求める。
目標電流発生部54は、図2中、目標電流発生部54中の特性から分かるように、車速Vをパラメータとして、操舵トルクTsに対する目標電流Id(EPSモータ36の目標トルクに対応する。)を発生させる(算出する)。
補正電流発生部56は、舵角速度算出部62で算出された舵角速度dθs/dt又はモータ角速度θm´[rad/s]の0値から所定速度(閾値速度)Vthまでの増加に対して、第1レシオ(第1補正係数、第1ゲイン)r1が値「1」から値「0」まで低下する特性を有する速度レシオマップ72と、ラック負荷変化率絶対値ABS(Frn−Frn−1)の所定値(閾値)Fr´th(Fr´は、ラック負荷変化率、Fr´th>0)を上回ってからの増加に対して基本補正電流Ipaを増加させる特性を有するラック負荷変化率補正電流マップ74と、これらを掛け合わせる乗算器78と、この積に正又は負の符号を掛け合わせて補正電流Iaを算出する乗算器80とから構成され、補正電流Iaを次の(2)式により算出する。
Ia=r1×Ipa×(1又は−1) …(2)
この第1実施例では、基本的には、舵角速度dθs/dt又はモータ角速度θm´(dθm/dt)[rad/s]が小さい領域ほど、すなわち保舵に近い状態ほど、速度レシオマップ72により第1レシオr1を増加させるようにし、ラック負荷変化率補正電流マップ74からラック負荷Frが増加した場合{(Frn−1−Frn)<0→SIGN(Frn−1−Frn)=−1}には、ラック負荷変化率絶対値ABS(Frn−Frn−1)が所定値Fr´th(Fr´は、ラック負荷変化率、Fr´th>0)を上回って増加した場合には増加するほど、ステアリングホイール12の操舵力の増加を軽減する方向へ補正電流Ia{Ia<0}(Ia=r1・Ipa<0)を発生し、この補正電流Ia(値は負)を加算器83により目標電流Idに加えてモータ電流Iepsを発生し、EPSモータ36に供給する。
このように制御することにより、路面からのキックバックによるステアリングホイール12のトルク変動を軽減することができる。
同様に、舵角速度dθs/dt又はモータ角速度θm´が小さい領域ほど、すなわち保舵に近い状態ほど、第1レシオr1を増加させるようにし、ラック負荷Frが減少した場合{(Frn−1−Frn)>0→SIGN(Frn−1−Frn)=1}には、ラック負荷変化率絶対値ABS(Frn−Frn−1)が所定値Fr´thを上回って増加した場合には増加するほど、ステアリングホイール12の操舵力の低下を抑制する方向へ補正電流Ia(Ia>0)(Ia=r1・Ipa>0)を発生し、この補正電流Ia(値は正)を加算器83により目標電流Idに加えてモータ電流Iepsを発生し、EPSモータ36に供給する。
このように制御することにより、路面からのキックバックによるステアリングホイール12のトルク変動を軽減することができる。
B.第2実施例の説明
図3は、第2実施例に係る補正電流発生部56aを含むEPSコントローラ30a(モータ電流発生部52a)の構成を示す機能ブロック図である。
第2実施例に係る補正電流発生部56aでは、さらに、舵角θsの絶対値ABS(θs)が所定値(閾値)θsthからの低下に応じて第2レシオ(第2補正係数、第2ゲイン)r2が値「0」から値「1」まで増加する特性を有する操舵角レシオマップ76と、第1実施例により算出した補正電流Iaに、この第2レシオr2をかけた補正電流Ibを次の(3)式により算出する乗算器82とを備える。
Ib=Ia×r2=r1×r2×Ipa×(1又は−1) …(3)
直進走行時、すなわち運転者の保舵力が小さいか又は全く保舵力を発生させていない状況下において、路面からのキックバックによる舵の乱れが大きくなる。そこで、この第2実施例では、舵角θsの小さい状況下{絶対値ABS(θs)の小さい状況下}において、キックバックを抑制するための操舵反力ゲインを増加させるために、舵角θsが小さいほど(中立位置に近いほど)、補正電流Ibが大きくなるように第2補正係数(第2ゲイン)r2を値1に近づけるよう制御する。すなわち、車両が直進走行をしているとき、補正信号Iaのゲインである第2補正係数(第2ゲイン)r2を最大となるように制御することにより、路面からのキックバックを受けやすい直進走行時におけるステアリングホイール12のトルク変動を軽減することができる。
C.まとめ
以上説明したように上述した実施形態に係る電動パワーステアリング装置10によれば、ステアリングホイール12の操舵を車輪22に伝えるラックアンドピニオン機構18と、ステアリングホイール12の操舵に応じた操舵補助力を発生するための駆動信号であるモータ電流Iepsを発生する駆動信号発生部としてのモータ電流発生部52(52a)と、モータ電流Iepsを受け、前記操舵補助力をラック18bを通じて車輪22に伝える操舵補助力発生用のアクチュエータとしてのEPSモータ36と、ラック18bにかかる負荷の単位時間当たりの変化率{ラック負荷変化率Fr´(Fr´=Frn−Frn−1)}を算出するラック負荷変化率算出部60と、ステアリングホイール12の操舵速度である舵角速度θs´(モータ角速度θm´やラックストローク速度で代替可能である。)が所定速度Vth以下である場合に、ラック負荷変化率算出部60により算出されるラック負荷変化率Fr´が所定値Fr´th以上となったとき、ラック負荷変化率Fr´を打ち消す方向の駆動信号の補正信号である補正電流Ia又は補正電流Ibを発生し目標電流Idに加えてEPSモータ36にEPS電流Ieps=Id+Ia又はId+Ibを供給するための補正信号発生部としての補正電流発生部56(56a)を備える。
このように、ステアリングホイール12の舵角速度θs´が所定速度Vth以下である場合{定常旋回(保舵)時や直進走行時}に、ラック負荷変化率算出部60により算出されるラック負荷変化率Fr´が所定値Fr´th以上となったとき、ラック負荷変化率Fr´を打ち消す方向の駆動信号の補正信号である補正電流Ia又はIbをEPSモータ36に供給するようにしているので、路面からのキックバックによる舵の乱れ、すなわちステアリングホイール12上の操舵力の変動を抑制することができる。
なお、ラック負荷変化率Fr´の所定値Fr´thは、車両個々に実験走行により予め決定することができる。実車では、所定値Fr´thを操縦感が適当になるよう可変にする仕組みを設けてもよい。
上記のように制御することにより、定常旋回時等におけるラック負荷の変動に対するステアリングホイール12への伝達の遮断性を向上させることができる。
なお、この発明は、上述した実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
この発明の一実施形態に係る車両の電動パワーステアリング装置の概略構成図である。 第1実施例に係る補正電流発生部の機能ブロック図である。 第2実施例に係る補正電流発生部の機能ブロック図である。
符号の説明
10…電動パワーステアリング装置 11…操舵機構
12…ステアリングホイール 16…操舵トルクセンサ
30、30a…EPSコントローラ 32…車速センサ
36…EPSモータ 42…操舵角センサ
44…電流・電圧・角速度センサ 52、52a…モータ電流発生部
54…目標電流発生部 56、56a…補正電流発生部
58…ラック負荷算出部 60…ラック負荷変化率算出部
62…舵角速度算出部

Claims (4)

  1. ステアリングホイールの操舵を車輪に伝えるラックアンドピニオン機構と、
    前記ステアリングホイールの操舵に応じた操舵補助力を発生するための駆動信号を発生する駆動信号発生部と、
    前記駆動信号を受け、前記操舵補助力を前記ラックを通じて前記車輪に伝える操舵補助力発生用のアクチュエータと、
    前記ラックにかかる負荷の変化率を算出するラック負荷変化率算出部と、
    前記ステアリングホイールの操舵速度が所定速度以下である場合に、前記ラック負荷変化率算出部により算出される前記ラック負荷変化率が所定値以上となったとき、前記ラック負荷変化率を打ち消す方向の前記駆動信号の補正信号を発生して前記アクチュエータに供給する補正信号発生部と、を備え
    前記補正信号発生部は、
    前記ステアリングホイールの操舵速度が小さいほど、前記補正信号が大きくなるようにゲインを設定す
    ことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
  2. ステアリングホイールの操舵を車輪に伝えるラックアンドピニオン機構と、
    前記ステアリングホイールの操舵に応じた操舵補助力を発生するための駆動信号を発生する駆動信号発生部と、
    前記駆動信号を受け、前記操舵補助力を前記ラックを通じて前記車輪に伝える操舵補助力発生用のアクチュエータと、
    前記ラックにかかる負荷の変化率を算出するラック負荷変化率算出部と、
    前記ステアリングホイールの操舵速度が所定速度以下である場合に、前記ラック負荷変化率算出部により算出される前記ラック負荷変化率が所定値以上となったとき、前記ラック負荷変化率を打ち消す方向の前記駆動信号の補正信号を発生して前記アクチュエータに供給する補正信号発生部と、を備え、
    前記補正信号発生部は、
    車両が直進走行をしているとき、前記補正信号のゲインを最大に設定する
    ことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
  3. 請求項1又は2に記載の電動パワーステアリング装置において、
    前記ラック負荷変化率算出部は、
    前記ラック負荷を、前記ピニオンからのラック軸力と前記アクチュエータによるラック軸力の和として求める
    ことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
  4. 請求項1〜のいずれか1項に記載の電動パワーステアリング装置において、
    前記アクチュエータが、電動モータである
    ことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
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