JP6048060B2 - Torque detection device and electric power steering device - Google Patents
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Description
本発明は、回転軸に作用するトルクを検出するトルク検出装置、及びそのトルク検出装置を備える電動パワーステアリング装置に関するものである。 The present invention relates to a torque detection device that detects torque acting on a rotating shaft, and an electric power steering device including the torque detection device.
従来、ステアリング装置として、運転者がステアリングホイールを操舵する操舵トルクに応じて電動モータを駆動することによりステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置が普及している。
この種の電動パワーステアリング装置では、搭載対象車両が大型化することにより、電動パワーステアリング装置の高出力化が進み、モータトルクが増大すると共に大電流化が加速している。
Conventionally, as a steering device, an electric power steering device that applies a steering assist force to a steering mechanism by driving an electric motor in accordance with a steering torque by which a driver steers a steering wheel has been widespread.
In this type of electric power steering apparatus, as the vehicle to be mounted increases in size, the output of the electric power steering apparatus increases, the motor torque increases, and the increase in current increases.
このように、電動パワーステアリング装置の高出力化が進むと、電動パワーステアリング装置を停止させた状態での手動操舵時に必要な操舵トルクが大きくなって、操舵が困難となる状況となっている。
従来、操舵トルクセンサ等の異常が発生した場合、電動パワーステアリング装置を停止させて安全を確保するようにしていた。しかしながら、上述したように手動操舵に必要な操舵トルクが大きくなりすぎて操舵が困難となっているため、操舵トルクセンサ等の異常が発生した場合でも電動モータを駆動制御して操舵補助力の発生を継続することが望まれている。
As described above, when the output of the electric power steering device is increased, the steering torque required for manual steering with the electric power steering device stopped is increased, and steering becomes difficult.
Conventionally, when an abnormality occurs in the steering torque sensor or the like, the electric power steering device is stopped to ensure safety. However, as described above, the steering torque necessary for manual steering becomes too large to make steering difficult. Therefore, even when an abnormality occurs in the steering torque sensor or the like, the electric motor is driven to generate steering assist force. Is desired to continue.
そこで、複数系統の操舵トルクセンサを用意し、１系統で異常が発生しても操舵トルクの検出を継続可能にするものがある（例えば、特許文献１参照）。
また、独立２系統のコイル式トルクセンサにおいて、コイル電圧と基準電圧との差動増幅により、１個のコイルからトルクを検出するものもある（例えば、特許文献２参照）。ここでは、コイルの直流バイアスにより異常を検出するようにしている。
Therefore, there is a system in which a plurality of steering torque sensors are prepared so that detection of steering torque can be continued even if an abnormality occurs in one system (see, for example, Patent Document 1).
In addition, there are two independent coil-type torque sensors that detect torque from one coil by differential amplification of a coil voltage and a reference voltage (see, for example, Patent Document 2). Here, the abnormality is detected by the DC bias of the coil.
しかしながら、上記特許文献１に記載の技術にあっては、操舵トルクセンサを複数系統用意しているため、サイズの増大及びコストの増大を招く。また、上記特許文献２に記載の技術にあっては、１個のコイルからの検出を基本としているため、十分な検出精度を出すことが難しい。
そこで、本発明は、信頼性の高い検出結果を得ることができるトルク検出装置、及びそのトルク検出装置を用いた電動パワーステアリング装置を提供することを課題としている。
However, in the technique described in
Therefore, an object of the present invention is to provide a torque detection device capable of obtaining a highly reliable detection result, and an electric power steering device using the torque detection device.
上記課題を解決するために、本発明に係るトルク検出装置の一態様は、回転軸に生じるトルクに応じて互いに逆方向にインピーダンスが変化する一対の検出コイルを備えるトルク検出装置であって、前記一対の検出コイルの出力電圧を差動増幅して、前記トルクを検出するメイントルク検出手段と、前記検出コイルの出力電圧と予め設定した基準電圧とをそれぞれ差動増幅して、前記トルクを検出する２つのサブトルク検出手段と、前記メイントルク検出手段及び前記サブトルク検出手段の異常を監視する監視手段と、前記監視手段による異常診断結果と、前記監視手段で正常であると判断されたトルク検出手段で検出したトルクを出力する出力手段と、を備え、前記サブトルク検出手段は、前記検出コイルのインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段を有し、前記インピーダンスの抵抗成分をＸ軸、リアクタンス成分をＹ軸とする平面座標上におけるインピーダンスベクトルの変化を示すインピーダンス変化ベクトルが、トルクを一定とし温度を変化させたときと、温度を一定としトルクを変化させたときとで異なることを用いて、前記インピーダンス測定手段で測定した前記検出コイルのインピーダンスに基づいて、前記トルクを検出することを特徴としている。 In order to solve the above-described problem, an aspect of the torque detection device according to the present invention is a torque detection device including a pair of detection coils whose impedances change in opposite directions according to the torque generated in the rotating shaft, Differentially amplifies the output voltage of a pair of detection coils to detect the torque, and differentially amplifies the output voltage of the detection coil and a preset reference voltage to detect the torque. Two sub-torque detection means, monitoring means for monitoring the abnormality of the main torque detection means and the sub-torque detection means, an abnormality diagnosis result by the monitoring means, and torque detection means determined to be normal by the monitoring means in comprising an output means for outputting the detected torque, the said sub torque detecting means, in measuring the impedance of the detection coil An impedance change vector indicating a change in impedance vector on a plane coordinate having the impedance component as the X-axis and the reactance component as the Y-axis, the torque being constant and changing the temperature; The torque is detected based on the impedance of the detection coil measured by the impedance measuring means, using the difference between when the temperature is constant and the torque is changed .
また、本発明に係るトルク検出装置の一態様は、回転軸に生じるトルクに応じて互いに逆方向にインピーダンスが変化する一対の検出コイルを備えるトルク検出装置であって、前記一対の検出コイルの出力電圧を差動増幅して、前記トルクを検出するメイントルク検出手段と、前記検出コイルの出力電圧を測定し、当該検出コイルの出力電圧に基づいてそれぞれ前記トルクを検出する２つのサブトルク検出手段と、前記メイントルク検出手段及び前記サブトルク検出手段の異常を監視する監視手段と、前記監視手段による異常診断結果と、前記監視手段で正常であると判断されたトルク検出手段で検出したトルクを出力する出力手段と、を備え、前記サブトルク検出手段は、前記検出コイルのインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段を有し、前記インピーダンスの抵抗成分をＸ軸、リアクタンス成分をＹ軸とする平面座標上におけるインピーダンスベクトルの変化を示すインピーダンス変化ベクトルが、トルクを一定とし温度を変化させたときと、温度を一定としトルクを変化させたときとで異なることを用いて、前記インピーダンス測定手段で測定した前記検出コイルのインピーダンスに基づいて、前記トルクを検出することを特徴としている。 An aspect of the torque detection device according to the present invention is a torque detection device including a pair of detection coils whose impedances change in opposite directions according to the torque generated on the rotating shaft, the outputs of the pair of detection coils Main torque detection means for differentially amplifying the voltage to detect the torque; and two sub-torque detection means for measuring the output voltage of the detection coil and detecting the torque based on the output voltage of the detection coil; The monitoring means for monitoring the abnormality of the main torque detecting means and the sub torque detecting means, the abnormality diagnosis result by the monitoring means, and the torque detected by the torque detecting means determined to be normal by the monitoring means are output. and an output unit, the sub torque detection means, impedance measurement hand for measuring the impedance of the detection coil The impedance change vector indicating the change of the impedance vector on a plane coordinate with the resistance component of the impedance as the X axis and the reactance component as the Y axis has a constant torque and a constant temperature. The torque is detected on the basis of the impedance of the detection coil measured by the impedance measuring means using the difference between when the torque is changed .
これにより、メイントルク検出手段が正常であるときはメイントルク検出手段で検出した精密なトルク検出結果を出力し、メイントルク検出手段に異常が発生しているときは正常なサブトルク検出手段のトルク検出結果を出力することができる。このように、部分的な異常が発生しても、可能な限りトルクの検出を継続することができる。また、異常診断結果を上位コントローラに伝達することができるので、コントローラは適切に異常時処理を実施することができる。 Thus, when the main torque detecting means is normal, the precise torque detection result detected by the main torque detecting means is output, and when the main torque detecting means is abnormal, the torque detection of the normal sub torque detecting means is performed. The result can be output. Thus, even if a partial abnormality occurs, the detection of torque can be continued as much as possible. In addition, since the abnormality diagnosis result can be transmitted to the host controller, the controller can appropriately execute the abnormality process.
また、温度変化による検出コイルのインピーダンス変化を補償したトルクを検出することができる。このように、温度変化と相対角変化との切り分けが可能となり、特別な温度補償回路を設けることなく、適切に相対角（トルク）を検出することができる。
さらに、上記において、前記一対の検出コイルのうち、一方の検出コイルを励磁し当該検出コイルの出力電圧を検出する第１の励磁回路と、他方の検出コイルを励磁し当該検出コイルの出力電圧を検出する、前記第１の励磁回路とは独立した第２の励磁回路と、を備えるようにしてもよい。
Further , it is possible to detect a torque that compensates for a change in impedance of the detection coil due to a temperature change. In this way, it is possible to distinguish between the temperature change and the relative angle change, and the relative angle (torque) can be detected appropriately without providing a special temperature compensation circuit.
Further, in the above, a first excitation circuit that excites one of the pair of detection coils to detect an output voltage of the detection coil, and an excitation voltage of the other detection coil to obtain an output voltage of the detection coil. You may make it provide the 2nd excitation circuit independent of the said 1st excitation circuit to detect.
このように、励磁回路を、それぞれの検出コイルに対して励磁を行う２系統で構成する。そのため、一方の励磁回路に異常が発生した場合であっても、他方の励磁回路で検出コイルの励磁が可能となる。１つの検出コイルを正常に励磁できれば、サブトルク検出手段によりトルクの検出が可能であるため、トルク検出装置のトルク検出機能を維持することができる。 In this way, the excitation circuit is configured by two systems that excite each detection coil. Therefore, even if an abnormality occurs in one excitation circuit, the detection coil can be excited by the other excitation circuit. If one detection coil can be normally excited, torque can be detected by the sub-torque detection means, so that the torque detection function of the torque detection device can be maintained.
さらにまた、上記において、前記メイントルク検出手段は、前記第１の励磁回路で検出した前記一方の検出コイルの出力電圧と、前記第２の励磁回路で検出した前記他方の検出コイルの出力電圧との電圧差を信号処理して前記トルクを検出する第１の信号処理部と、前記第１の励磁回路で検出した前記一方の検出コイルの出力電圧と、前記第２の励磁回路で検出した前記他方の検出コイルの出力電圧との電圧差を、前記第１の信号処理部と同様に信号処理して前記トルクを検出する第２の信号処理部と、を備えるようにしてもよい。 Furthermore, in the above, the main torque detection means includes an output voltage of the one detection coil detected by the first excitation circuit, and an output voltage of the other detection coil detected by the second excitation circuit. A first signal processing unit that detects the torque by performing a signal processing of the voltage difference of the first detection coil, an output voltage of the one detection coil detected by the first excitation circuit, and the first detection circuit detected by the second excitation circuit You may make it provide the 2nd signal processing part which carries out the signal processing of the voltage difference with the output voltage of the other detection coil similarly to the said 1st signal processing part, and detects the said torque.
このように、メイントルク検出手段を２系統で構成するため、一方のメイントルク検出手段に異常が発生した場合であっても、他方のメイントルク検出手段によって高精度なトルク検出を継続することができる。
また、上記において、前記監視手段は、前記メイントルク検出手段及び前記サブトルク検出手段による前記トルクの検出に用いる信号をＡＤ変換するＡＤ変換器を有し、前記ＡＤ変換器の出力に基づいて前記信号の有効性を監視することで、前記メイントルク検出手段及び前記サブトルク検出手段の異常を監視するようにしてもよい。
As described above, since the main torque detecting means is composed of two systems, even if an abnormality occurs in one main torque detecting means, highly accurate torque detection can be continued by the other main torque detecting means. it can.
In the above, the monitoring means includes an AD converter that AD converts a signal used for detection of the torque by the main torque detection means and the sub torque detection means, and the signal is based on an output of the AD converter. It is also possible to monitor the abnormality of the main torque detecting means and the sub torque detecting means by monitoring the effectiveness of.
さらに、前記励磁回路は、定常正弦波電流を流す定電流方式にすることが好ましい。この方式とすることで、感度の向上が望めると共に、コイルの両端の電圧を０から電源電圧の範囲に収めることができる。
これにより、電源範囲で動作するＡＤ変換器を設けるだけで各種信号の監視が可能となる。したがって、信号の有効性の監視に特別な回路処理（電源範囲外で動作する特別なＡＤ変換器、範囲外電圧をカットするリミッタ、その他監視のためのアナログ処理回路など）を用いなくてすむ。
Furthermore, the excitation circuit is preferably a constant current system for flowing a steady sine wave current. By adopting this method, an improvement in sensitivity can be expected and the voltage at both ends of the coil can be kept within the range of 0 to the power supply voltage.
As a result, various signals can be monitored only by providing an AD converter that operates in the power supply range. Therefore, special circuit processing (a special AD converter operating outside the power supply range, a limiter for cutting out-of-range voltage, other analog processing circuits for monitoring, etc.) is not required for monitoring the effectiveness of the signal.
また、本発明に係る電動パワーステアリング装置の一態様は、操舵系に運転者の操舵負担を軽減する操舵補助力を付与する電動パワーステアリング装置であって、ステアリング機構に入力される操舵トルクを検出する上記の何れかに記載のトルク検出装置と、少なくとも前記トルク検出装置で検出した操舵トルクに基づいて、前記操舵補助力を付与すべく前記操舵系に連結された電動モータを駆動制御するモータ制御手段と、を備えることを特徴としている。
このように、信頼性の高いトルク検出装置を用いて操舵補助制御を行うことができるので、安定した操舵補助制御を行う電動パワーステアリング装置とすることができる。
Another aspect of the electric power steering apparatus according to the present invention is an electric power steering apparatus that applies a steering assist force that reduces a driver's steering burden to a steering system, and detects a steering torque input to a steering mechanism. And a motor control for driving and controlling an electric motor coupled to the steering system to apply the steering assist force based on at least the steering torque detected by the torque detection device. Means.
As described above, since the steering assist control can be performed using a highly reliable torque detection device, an electric power steering apparatus that performs stable steering assist control can be obtained.
本発明のトルク検出装置では、高精度測定とフォールトトレラントな２重システムを両立させることができるので、信頼性の高い検出結果を得ることができる。
したがって、上記トルク検出装置を備える電動パワーステアリング装置では、安定した操舵補助制御を行うことができる。
In the torque detection device of the present invention, high-accuracy measurement and a fault-tolerant dual system can be made compatible, so that a highly reliable detection result can be obtained.
Therefore, the electric power steering apparatus including the torque detection device can perform stable steering assist control.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る電動パワーステアリング装置を示す全体構成図である。
図中、符号１は、ステアリングホイールであり、このステアリングホイール１に運転者から作用される操舵力が入力軸２ａと出力軸２ｂとを有するステアリングシャフト２に伝達される。このステアリングシャフト２は、入力軸２ａの一端がステアリングホイール１に連結され、他端は後述するトルク検出装置３０が備えるトルクセンサ２０を介して出力軸２ｂの一端に連結されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing an electric power steering apparatus according to the present invention.
In the figure,
そして、出力軸２ｂに伝達された操舵力は、ユニバーサルジョイント４を介して中間シャフト５に伝達され、さらに、ユニバーサルジョイント６を介してピニオンシャフト７に伝達される。このピニオンシャフト７に伝達された操舵力はステアリングギヤ８を介してタイロッド９に伝達され、図示しない転舵輪を転舵させる。ここで、ステアリングギヤ８は、ピニオンシャフト７に連結されたピニオン８ａとこのピニオン８ａに噛合するラック８ｂとを有するラックアンドピニオン形式に構成され、ピニオン８ａに伝達された回転運動をラック８ｂで直進運動に変換している。
The steering force transmitted to the
ステアリングシャフト２の出力軸２ｂには、補助操舵力を出力軸２ｂに伝達する操舵補助機構１０が連結されている。この操舵補助機構１０は、出力軸２ｂに連結された減速ギヤ１１と、減速ギヤ１１に連結されて操舵系に対して補助操舵力を発生する電動モータ１２とを備えている。
トルクセンサ２０は、ステアリングホイール１に付与されて入力軸２ａに伝達された操舵トルクを検出するためのもので、図示しないトーションバーで連結された入力軸２ａと出力軸２ｂとの相対的な変位（回転変位）を、コイル対のインピーダンスの変化に対応させて検出するように構成されている。このトルクセンサ２０から出力されるトルク検出値Ｔはコントローラ１５に入力される。
A
The
コントローラ１５は、車載のバッテリ１７（例えば、定格電圧が１２Ｖである）から電源供給されることによって作動する。バッテリ１７の負極は接地され、その正極はエンジン始動を行うイグニッションスイッチ１８を介してコントローラ１５に接続されると共に、イグニッションスイッチ１８を介さず直接コントローラ１５に接続されている。
コントローラ１５には、トルク検出値Ｔの他に車速センサ１６で検出した車速検出値Ｖが入力され、これらに応じた操舵補助力を操舵系に付与する操舵補助制御を行う。具体的には、上記操舵補助力を電動モータ１２で発生するための操舵補助トルク指令値を公知の手順で算出し、算出した操舵補助トルク指令値とモータ電流検出値とにより、電動モータ１２に供給する駆動電流をフィードバック制御する。
The
The
次に、トルク検出装置３０の構成について詳細に説明する。
図２は、トルク検出装置３０の構成を示すブロック図である。トルク検出装置３０は、上述したトルクセンサ２０を備える。トルクセンサ２０は、同一規格のコイル２１ａ及び２１ｂが組み合わされて構成されたコイル対を備えている。
このトルクセンサ２０は、図３にそのコイル周辺図を示すように、ヨーク７１と、円管部材７３と、円管部材７３の外周部にコイル２１ａ及び２１ｂと対向するように設けられた複数の窓７３１と、トーションバー７４と、センサシャフト７５とを含んでいる。なお、トーションバー７４と、センサシャフト７５と、ステアリングシャフト２の入力軸２ａ及び出力軸２ｂとは、同軸に配置される。コイル２１ａ及び２１ｂは、図３に示すように円筒形状のヨーク７１内に配置される。
Next, the configuration of the torque detection device 30 will be described in detail.
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of the torque detection device 30. The torque detection device 30 includes the
The
センサシャフト７５は、出力軸２ｂと一体的に構成され、トーションバー７４の一端（図３の右端）は出力軸２ｂに固定（圧入固定またはピン固定）される。円管部材７３は入力軸２ａに固定され、トーションバー７４の他端（図３の左端）が入力軸２ａに固定される。
図４に示すように、右操舵トルクが増大するに従って、コイル２１ａのインダクタンスＬ21aは増大し、コイル２１ｂのインダクタンスＬ21bは減少する。また、左操舵トルクが増大するに従って、コイル２１ａのインダクタンスＬ21aは減少し、コイル２１ｂのインダクタンスＬ21bは増大する。
The
As shown in FIG. 4, as the right steering torque increases, the inductance L 21a of the coil 21a increases and the inductance L 21b of the coil 21b decreases. As the left steering torque increases, the inductance L 21a of the coil 21a decreases and the inductance L 21b of the coil 21b increases.
すなわち、コイル２１ａ及び２１ｂは、入力軸２ａと出力軸２ｂとが相対回転したときにインピーダンスが対称に変化する。トーションバー７４のねじれ角（入力軸２ａと出力軸２ｂとの相対回転角。以下、単に相対角ともいう。）はトルクに比例するので、このインピーダンス変化を捉えることで操舵トルクが検出可能となる。
トルク検出装置３０は、主としてコイル２１ａの電圧を増幅、検出する系統（以下、系統Ａという）と、主としてコイル２１ｂの電圧を増幅、検出する系統（以下、系統Ｂという）との２系統で構成する。系統Ａは、パワーアンプ３１ａと、発振器３２ａと、抵抗Ｒ１と、信号処理部３３ａと、波形源３４ａと、差動アンプ３５ａと、コンデンサＣ１と、ＡＤ変換器３６ａと、出力部３７ａと、差動アンプ３８ａと、発振器３９ａと、ＡＤ変換器４０ａとで構成されている。
That is, the impedances of the
The torque detection device 30 is composed of two systems, a system that mainly amplifies and detects the voltage of the
また、系統Ｂは、パワーアンプ３１ｂと、発振器３２ｂと、抵抗Ｒ２と、信号処理部３３ｂと、波形源３４ｂと、差動アンプ３５ｂと、コンデンサＣ２と、ＡＤ変換器３６ｂと、出力部３７ｂと、差動アンプ３８ｂと、発振器３９ｂと、ＡＤ変換器４０ｂとで構成されている。
そして、系統Ａ及び系統Ｂは、それぞれ２個のコイル２１ａ及び２１ｂから操舵トルクを精密に検出するメイントルク検出手段と、自身の系統に属する１個のコイル２１ａ又は２１ｂから操舵トルクを検出するサブトルク検出手段とを備える。なお、ここでいう「系統」とは、物理的な検出回路を意味し、「検出手段」とは、ソフトウェアやロジックを含む検出方法を意味するものである。
The system B includes a
The system A and the system B are respectively a main torque detecting means for accurately detecting the steering torque from the two
系統Ａのメイントルク検出手段は、２つのコイル２１ａ及び２１ｂの電圧差（Ｃｖ１−Ｃｖ２）を増幅する差動アンプ３５ａと、差動アンプ３５ａが出力する信号Ｍ１を処理するロジックからなる。また、系統Ａのサブトルク検出手段は、コイル２１ａの電圧Ｃｖ１と発振器３９ａが出力する基準信号Ｓａ０との電圧差を増幅する差動アンプ３８ａと、差動アンプ３８ａが出力する信号Ｓ１を処理するロジックからなる。
The main torque detection means of the system A includes a
同様に、系統Ｂのメイントルク検出手段は、２つのコイル２１ａ及び２１ｂの電圧差（Ｃｖ１−Ｃｖ２）を増幅する差動アンプ３５ｂと、差動アンプ３５ｂが出力する信号Ｍ２を処理するロジックからなる。また、系統Ｂのサブトルク検出手段は、コイル２１ｂの電圧Ｃｖ２と発振器３９ｂが出力する基準信号Ｓｂ０との電圧差を増幅する差動アンプ３８ｂと、差動アンプ３８ｂが出力する信号Ｓ２を処理するロジックからなる。
Similarly, the main torque detection means of the system B includes a
ここで、信号Ｓ１は、系統Ｂを構成する回路が全く機能しなくても得られる信号である。同様に、信号Ｓ２は、系統Ａを構成する回路が全く機能しなくても得られる信号である。したがって、どちらか一系統が機能すれば、機能している方のサブトルク検出手段により操舵トルクを検出可能である。
なお、系統Ａ及びＢは、独立の電源（不図示）及び独立のグランドからなり、部品の異常が系統Ａから系統Ｂ、若しくは系統Ｂから系統Ａへ伝播しないようになっている。
Here, the signal S1 is a signal obtained even if the circuits constituting the system B do not function at all. Similarly, the signal S2 is a signal obtained even if the circuits constituting the system A do not function at all. Therefore, if either one of the systems functions, the steering torque can be detected by the functioning sub-torque detection means.
The systems A and B are composed of an independent power source (not shown) and an independent ground so that an abnormality of a component is not propagated from the system A to the system B or from the system B to the system A.
この独立の電源は、コントローラ１５から供給される。ここで、電源電圧は、例えば５Ｖとする。また、独立のグランド（ＧＮＤ１とＧＮＤ２）は、一方の系統の異常が他方の系統の異常を誘発しないよう、一点かつ高インピーダンスで結合（不図示）され、ほぼ同じ電位に保たれている。
コイル２１ａは、パワーアンプ３１ａと、発振器３２ａと、抵抗Ｒ１とで構成される励磁回路によって励磁され、コイル電圧Ｃｖ１が検出される。ここで、コイル２１ａは、パワーアンプ３１ａと発振器３２ａから出力した励磁信号Ｅ１とによって、高周波（励磁周波数１０ｋＨｚ程度）で励磁されるものとする。
This independent power supply is supplied from the
The
発振器３２ａは、信号処理部３３ａからのタイミング信号Ｔｍ１を受けて波形源３４ａが出力する波形情報（ＤＡ変換による階段状波形など）に基づいて、歪みの少ない正弦波を生成する正弦波発生器である。すなわち、この発振器３２ａは、タイミング信号Ｔｍ１によって位相が定められた正弦波を発生する。
この位相の精度は、トルク検出値の精度に大きく依存する。このため、ＡＤ変換器４０ａを用いて電圧Ｅ１を測定し、位相を分析し、狙いの位相となるようにタイミング信号Ｔｍ１を調整する方法を用いることもできる。発振器３２ａの位相特性が温度に依存してしまう場合には、特に有効である。
The
The accuracy of this phase greatly depends on the accuracy of the detected torque value. For this reason, it is also possible to use a method of measuring the voltage E1 using the
このコイル２１ａの励磁回路は、いわゆる定電流回路となっていて、発振器３２ａが出力した励磁信号Ｅ１の電圧に比例した電流がコイル２１ａに流れるようになっている。このように、コイル２１ａには常に一定の振幅と位相の電流が流れるが、上述したように、操舵トルクの変化によってコイル２１ａのインダクタンスが変化するため、コイル電圧Ｃｖ１の波形は、操舵トルクによって変動する。
The excitation circuit of the
ここで、励磁信号Ｅ１の最大値及び最小値は、電源電圧範囲（０Ｖ〜５Ｖ）の範囲に入る波形である。さらに、この励磁信号Ｅ１と抵抗Ｒ１とは、コイル電圧Ｃｖ１の電圧が０Ｖから５Ｖの間で略目一杯振れるように設計されている。すなわち、コイル電圧Ｃｖ１の最大値及び最小値は、電源電圧範囲（０Ｖ〜５Ｖ）の間に収まり、且つ最大値は電源電圧（５Ｖ）付近で、最小値は０Ｖ付近である。 Here, the maximum value and the minimum value of the excitation signal E1 are waveforms that fall within the range of the power supply voltage range (0 V to 5 V). Further, the excitation signal E1 and the resistor R1 are designed such that the coil voltage Cv1 swings substantially fully between 0V and 5V. That is, the maximum value and the minimum value of the coil voltage Cv1 fall within the power supply voltage range (0V to 5V), the maximum value is in the vicinity of the power supply voltage (5V), and the minimum value is in the vicinity of 0V.
また、コイル２１ｂも同様に、パワーアンプ３１ｂと、発振器３２ｂと、抵抗Ｒ２とで構成される励磁回路によって励磁され、コイル電圧Ｃｖ２が検出される。発振器３２ｂは、信号処理部３３ｂからのタイミング信号Ｔｍ２によって位相が定められた正弦波を発生する。
信号処理部３３ａ，３３ｂは、同期信号Ｓｙｎｃを介して、タイミングが同じ２つのタイミング信号Ｔｍ１，Ｔｍ２をそれぞれ生成する。そのため、系統Ａの励磁回路と系統Ｂの励磁回路とは、それぞれ独立の回路ではあるが、同一の波形を生成することになる。これら２系統の励磁回路は、絶縁層を介して同一半導体プロセスで製造された部品内に形成され、同一の特性を有することが望ましい。
Similarly, the
The
このように、励磁回路を２系統備えるため、仮にパワーアンプ３１ａに異常が発生した場合であっても、パワーアンプ３１ｂによるコイル２１ｂの励磁を継続することができるようになっている。
また、差動アンプ３５ａは、コイル電圧Ｃｖ１とＣｖ２との電圧差を増幅して信号Ｍ１として出力する。系統Ａ及び系統Ｂは、それぞれ独立のグランドを基準電位とするため、コイル電圧Ｃｖ１とＣｖ２とを直接引き算すると、直流電圧差が発生する。この直流電圧差はトルクの情報を持たないので、コンデンサＣ１によりこれをカットし、交流成分のみを増幅する。
Thus, since two excitation circuits are provided, even if an abnormality occurs in the
Further, the
信号Ｍ１は、励磁周波数と同じ周波数の正弦波であり、この信号Ｍ１の振幅と位相は、相対角によって変化する。具体的には、信号Ｍ１の振幅は、相対角に略比例して変化する。また、信号Ｍ１の位相は、励磁信号Ｅ１の位相に対し、略同相か略逆相の２種類となる。ここで、位相が同相となるか逆相となるかは、相対角の方向によって決まる。同相（逆相）になる要因は、２つのコイル２１ａ，２１ｂのインピーダンスが入出力軸の相対角変化に対して対称に変化するためである。
The signal M1 is a sine wave having the same frequency as the excitation frequency, and the amplitude and phase of the signal M1 vary depending on the relative angle. Specifically, the amplitude of the signal M1 changes approximately in proportion to the relative angle. In addition, the phase of the signal M1 is of two types, substantially in phase or substantially opposite in phase to the excitation signal E1. Here, whether the phase is in phase or out of phase is determined by the direction of the relative angle. The reason for the in-phase (reverse phase) is that the impedances of the two
この信号Ｍ１は、ＡＤ変換器３６ａに入力する。ＡＤ変換器３６ａは、信号処理部３３ａからサンプル要求Ｓｑ１が送信されたタイミングで信号Ｍ１の電圧を取得し、これをサンプル結果Ｓｒ１として信号処理部３３ａに送信する。
ここで、信号処理部３３ａは、励磁に同期したタイミングで信号Ｍ１の電圧を計測するようにサンプル要求Ｓｑ１を生成し、これをＡＤ変換器３６ａに送信するようになっている。
This signal M1 is input to the
Here, the
なお、信号Ｍ１は正弦波であり、１周期の中で、最低３点のサンプリングがあれば位相と振幅とを確定できるが、本実施形態では１周期に４点のデータを等間隔で計測するようにサンプル要求Ｓｑ１を生成する。但し、ＡＤ変換やロジックの処理能力を超える場合も生じるため、その場合には、３周期で４点サンプルするなど、サンプル回数を減らし、３周期の平均的な位相、振幅を算出する方法を採用してもよい。
信号処理部３３ａは、ＡＤ変換器３６ａから送信されたサンプリングデータに基づいて信号Ｍ１の振幅及び位相を算出し、これをトルクに換算した結果を、メイントルク信号として出力ラインＯ１を介して出力部３７ａに送信する。
The signal M1 is a sine wave, and if there are at least three sampling points in one cycle, the phase and amplitude can be determined. In this embodiment, four points of data are measured at regular intervals in one cycle. The sample request Sq1 is generated as follows. However, since it may exceed the processing capacity of AD conversion and logic, in that case, the number of samples is reduced, such as sampling at 4 points in 3 cycles, and a method of calculating the average phase and amplitude of 3 cycles is adopted. May be.
The
差動アンプ３５ａ〜出力部３７ａまでの、信号Ｍ１を用いてメイントルク信号を出力する流れが系統Ａのメイントルク検出手段に対応している。
また、系統Ｂのメイントルク検出手段についても、上述した系統Ａのメイントルク検出手段と同様の流れとなる。系統Ｂのメイントルク検出手段の流れは、差動アンプ３５ｂ〜出力部３７ｂまでの流れである。
The flow of outputting the main torque signal using the signal M1 from the
Further, the main torque detection means of the system B also has the same flow as the main torque detection means of the system A described above. The flow of the main torque detection means of the system B is the flow from the
差動アンプ３５ｂが出力したコイル電圧Ｃｖ１とＣｖ２との電圧差を増幅した信号Ｍ２は、ＡＤ変換器３６ｂに出力される。そして、ＡＤ変換器３６ｂは、信号処理部３３ｂからサンプル要求Ｓｑ２が送信されたタイミングで信号Ｍ２の電圧を取得し、これをサンプル結果Ｓｒ２として信号処理部３３ｂに送信する。信号処理部３３ｂは、取得したサンプルデータに基づいて信号Ｍ２の振幅及び位相を算出し、これをトルクに換算した結果を、メイントルク信号として出力ラインＯ２を介して出力部３７ｂに送信する。なお、サンプル要求Ｓｑ２は、サンプル要求Ｓｑ１と同様に生成する。
A signal M2 obtained by amplifying the voltage difference between the coil voltages Cv1 and Cv2 output from the
このように、コイル及びその励磁系を除くメイントルク検出手段のハードウェアは、２系統が備えられている。そして、仮に差動アンプ３５ａに異常が発生し系統Ａのメイントルク検出手段が機能しなくなったとしても、系統Ｂのメイントルク検出手段によってトルク出力が継続可能となっている。
さらに、差動アンプ３８ａは、コイル電圧Ｃｖ１と発振器３９ａが出力する基準電圧Ｓａ０との電圧差を増幅して、信号Ｓ１として出力する。ここで、基準電圧Ｓａ０とは、基準状態（例えば２０℃でトルクが０の状態）におけるコイル電圧Ｃｖ１と同じ波形の定常波であり、発振器３２ａが出力する励磁信号Ｅ１に対し、常に一定の位相オフセットを施した定常正弦波である。
Thus, the hardware of the main torque detection means excluding the coil and its excitation system is provided with two systems. Even if an abnormality occurs in the
Further, the
信号Ｓ１は、励磁周波数と同じ周波数の正弦波であり、この信号Ｓ１の振幅と位相は、相対角によって変化する。この信号Ｓ１は、信号Ｍ１と同様に、ＡＤ変換器３６ａに入力する。そして、ＡＤ変換器３６ａは、信号処理部３３ａからサンプル要求Ｓｑ１が送信されたタイミングで信号Ｓ１の電圧を取得し、これをサンプル結果Ｓｒ１として信号処理部３３ａに送信する。ここでも、信号処理部３３ａは、１周期に４点のデータを等間隔で計測するようにサンプル要求Ｓｑ１を生成する。
The signal S1 is a sine wave having the same frequency as the excitation frequency, and the amplitude and phase of the signal S1 vary depending on the relative angle. This signal S1 is input to the
信号処理部３３ａは、ＡＤ変換器３６ａから送信されたサンプリングデータに基づいて信号Ｓ１の振幅及び位相を算出し、さらにインピーダンスを測定する。そして、信号処理部３３ａは、測定インピーダンスに基づいて相対角を算出し、これをトルクに換算してサブトルク信号とし、出力ラインＯ１を介して出力部３７ａに送信する。
The
以下、サブトルク信号の算出方法について具体的に説明する。
コイルのインピーダンスは損失（銅損、渦電流損、鉄損）からなる抵抗成分（Ｒ成分）と、磁束の作用によるリアクタンス成分（Ｌ成分）とがある。トルクセンサはそもそも相対角度変化が生じたときに磁束の変化量が大きくなるよう設計されているので、相対角度変化に対してはＬ成分の変動が大きい。一方、損失は導体（鉄心、アルミスリーブ、電線）の電気抵抗に大きく依存し、電気抵抗は温度に依存する。したがって、温度が変化したときはＲ成分の変化量が大きくなる。
Hereinafter, a method for calculating the sub torque signal will be specifically described.
The impedance of the coil has a resistance component (R component) composed of loss (copper loss, eddy current loss, iron loss) and a reactance component (L component) due to the action of magnetic flux. Since the torque sensor is originally designed so that the amount of change in magnetic flux increases when a relative angle change occurs, the variation of the L component is large with respect to the relative angle change. On the other hand, the loss largely depends on the electric resistance of the conductor (iron core, aluminum sleeve, electric wire), and the electric resistance depends on the temperature. Therefore, when the temperature changes, the amount of change in the R component increases.
本実施形態では、コイルのインピーダンス成分のうちＲ成分とＬ成分とが、相対角変化時と温度変化時とで異なる変化をすることを利用して、１個のコイルの測定インピーダンスから相対角（トルク）を算出する。
ここで、図５は、コイル（１個）のインピーダンスのＲ成分とＬ成分とを平面表示したインピーダンス平面であり、直線αは、温度を予め設定した基準温度（２０℃）で一定とし、相対角を−５°から＋５°まで変化させたときのインピーダンスベクトルの変化（インピーダンス変化ベクトル）を示す線である。また、直線βは、相対角を予め設定した基準相対角（０°）で一定とし、温度を０℃から１２０℃まで変化させたときのインピーダンス変化ベクトルを示す線である。
In the present embodiment, using the fact that the R component and the L component of the impedance component of the coil change differently when the relative angle changes and when the temperature changes, the relative angle ( Torque) is calculated.
Here, FIG. 5 is an impedance plane in which the R component and L component of the impedance of one coil are displayed in a plane, and the straight line α is constant at a reference temperature (20 ° C.) set in advance, It is a line which shows the change (impedance change vector) of an impedance vector when changing an angle from -5 degrees to +5 degrees. A straight line β is a line indicating an impedance change vector when the relative angle is constant at a preset reference relative angle (0 °) and the temperature is changed from 0 ° C. to 120 ° C.
測定インピーダンスＺａに対応するトルク（相対角）を算出するには、先ず、図５の星印に示すように、測定インピーダンスＺａをインピーダンス平面上にプロットする。次に、その点を、平行四辺形を描くように直線αと直線βとに投影する。このとき、直線αとの交点のインピーダンスに対応する相対角が、測定インピーダンスＺａに対応する相対角θ（Ｚａ）となる。また、直線βとの交点のインピーダンスに対応する温度が、測定インピーダンスＺａに対応する温度Ｔ（Ｚａ）となる。 In order to calculate the torque (relative angle) corresponding to the measured impedance Za, first, as shown by the star in FIG. 5, the measured impedance Za is plotted on the impedance plane. Next, the point is projected onto a straight line α and a straight line β so as to draw a parallelogram. At this time, the relative angle corresponding to the impedance at the intersection with the straight line α becomes the relative angle θ (Za) corresponding to the measurement impedance Za. Further, the temperature corresponding to the impedance at the intersection with the straight line β is the temperature T (Za) corresponding to the measurement impedance Za.
すなわち、直線βをインピーダンス平面上において測定インピーダンスＺａ上にオフセットし、オフセット後の直線β´と直線αとの交点のインピーダンスを求め、基準温度（２０℃）でインピーダンスが上記交点のインピーダンスとなる相対角を求める。この相対角に対応するトルクがサブトルク信号となる。このようにして、サブトルク検出手段は、１つのコイル電圧からトルク（相対角）を算出する。 That is, the straight line β is offset on the measured impedance Za on the impedance plane, the impedance at the intersection of the straight line β ′ and the straight line α after the offset is obtained, and the impedance becomes the impedance at the intersection at the reference temperature (20 ° C.). Find the corner. The torque corresponding to this relative angle becomes the sub torque signal. In this way, the sub-torque detection means calculates torque (relative angle) from one coil voltage.
差動アンプ３８ａ〜出力部３７ａまでの、信号Ｓ１を用いてサブトルク信号を出力する流れが系統Ａのサブトルク検出手段に対応している。
また、系統Ｂのサブトルク検出手段についても、上述した系統Ａのサブトルク検出手段と同様の流れとなる。系統Ｂのサブトルク検出手段の流れは、差動アンプ３８ｂ〜出力部３７ｂまでの流れである。
The flow from the
The flow of the sub-torque detection means of the system B is the same as that of the sub-torque detection means of the system A described above. The flow of the sub torque detection means of the system B is the flow from the
差動アンプ３８ｂが出力したコイル電圧Ｃｖ２と発振器３９ｂが出力する基準電圧Ｓｂ０との電圧差を増幅した信号Ｓ２は、ＡＤ変換器３６ｂに出力される。そして、ＡＤ変換器３６ｂは、信号処理部３３ｂからサンプル要求Ｓｑ２が送信されたタイミングで信号Ｓ２の電圧を取得し、これをサンプル結果Ｓｒ２として信号処理部３３ｂに送信する。信号処理部３３ｂは、取得したサンプルデータに基づいて信号Ｓ２の振幅及び位相を算出し、さらにインピーダンスを算出する。
A signal S2 obtained by amplifying the voltage difference between the coil voltage Cv2 output from the
そして、信号処理部３３ｂは、その測定インピーダンスから、前述の投影による温度と相対角とを切り分ける手法を用いて、相対角（トルク）を求める。信号処理部３３ｂは、これをトルクに換算し、サブトルク信号として出力ラインＯ２を介して出力部３７ｂに送信する。
さらに、トルク検出装置３０は、メイントルク検出手段及びサブトルク検出手段が正常であるか否かを判定する異常検出手段を備える。出力部３７ａ及び３７ｂは、異常検出手段による判定結果をコントローラ１５へ出力すると共に、メイントルク信号及びサブトルク信号のうち異常検出手段による判定結果に応じたトルク信号を、最終的にトルク検出装置３０で検出したトルク検出値としてコントローラ１５へ出力する。
Then, the
Further, the torque detection device 30 includes abnormality detection means for determining whether or not the main torque detection means and the sub torque detection means are normal. The
トルク検出装置３０は、各メイントルク検出手段及び各サブトルク検出手段のうち、正常であると判定したトルク検出手段で検出したトルク検出結果をコントローラ１５へ出力する。このとき、メイントルク検出手段とサブトルク検出手段とが共に正常であると判定した場合には、メイントルク検出手段で検出したトルク検出結果を優先して、コントローラ１５へ出力する。
The torque detection device 30 outputs to the
メイントルク検出手段及びサブトルク検出手段の異常判定は、ＡＤ変換器３６ａ，３６ｂ及びＡＤ変換器４０ａ，４０ｂが出力したサンプリングデータに基づいて、信号処理部３３ａ，３３ｂが行う。
ＡＤ変換器４０ａは、励磁信号Ｅ１，Ｅ２、コイル電圧Ｃｖ１，Ｃｖ２、及び基準信号Ｓａ０を入力し、信号処理部３３ａからサンプル要求Ｓｑ３が送信されたタイミングで上記各信号をサンプリングし、その結果をサンプル結果Ｓｒ３として信号処理部３３ａに送信する。ここで、サンプル要求Ｓｑ３は、上述したサンプル要求Ｓｑ１，Ｓｑ２と同様に、１周期に４点のデータを等間隔で計測するように生成する。
The abnormality determination of the main torque detection means and the sub torque detection means is performed by the
The
同様に、ＡＤ変換器４０ｂは、励磁信号Ｅ１，Ｅ２、コイル電圧Ｃｖ１，Ｃｖ２、及び基準信号Ｓｂ０を入力し、信号処理部３３ｂからサンプル要求Ｓｑ４が送信されたタイミングでサンプリングし、その結果をサンプル結果Ｓｒ４として信号処理部３３ｂに送信する。ここで、サンプル要求Ｓｑ４は、上述したサンプル要求Ｓｑ１，Ｓｑ２と同様に、１周期に４点のデータを等間隔で計測するように生成する。
Similarly, the AD converter 40b receives the excitation signals E1 and E2, the coil voltages Cv1 and Cv2, and the reference signal Sb0, samples at the timing when the sample request Sq4 is transmitted from the
信号処理部３３ａは、先ず、励磁信号Ｅ１，Ｅ２及びコイル電圧Ｃｖ１，Ｃｖ２のサンプリングデータに基づいて、励磁系の異常判定を行う。励磁信号Ｅ１，Ｅ２とコイル電圧Ｃｖ１，Ｃｖ２とは、決まった周波数、振幅、位相の正弦波であるため、信号処理部３３ａは、これらの振幅と位相とを監視することで、各信号の有効性（正確性）を判断する。なお、コイル電圧Ｃｖ１，Ｃｖ２は、決まった周波数、振幅、位相の正弦波であるが、わずかに変動する信号である。
The
また、信号処理部３３ａは、信号Ｍ１，Ｓ１のサンプリングデータに基づいて、信号Ｍ１，Ｓ１の有効性を判定する。信号Ｍ１，Ｓ１は、励磁信号Ｅ１，Ｅ２と略同相又は略逆相の正弦波であるため、信号処理部３３ａは、信号Ｍ１，Ｓ１とタイミング信号Ｔｍ１との位相差を監視し、予め設定した値よりも位相がずれている場合、信号Ｍ１，Ｓ１に異常が発生していると判定する。例えば、一方のコイル２１ａ又は２１ｂに層間短絡が発生すると、コイル２１ａとコイル２１ｂとのバランスが崩れ、位相差が設定値から外れるといった現象が生じる。
The
さらに、信号処理部３３ａは、ＡＤ変換器３６ａから入力した信号Ｍ１，Ｓ１の一周期あたり各４点のサンプリングデータの対称性と監視すると共に、平均値を予め設定した閾値と比較することで、信号Ｍ１，Ｓ１の異常判定を行う。通常、信号Ｍ１，Ｓ１のサンプリングデータの平均値は、電源電圧とＧＮＤとの中間電位（２．５Ｖ）である。例えば、差動アンプ３５ａに異常が発生すると、信号Ｍ１が電源電圧（５Ｖ）や０Ｖに固定されるといった現象が生じる。信号処理部３３ａは、このような異常も検出する。
Furthermore, the
また、信号Ｓ１からは温度のデータも得られる。実際の温度が乱高下することはあり得ないため、温度データに急激な変動が続く場合も検出異常として扱う。
また、信号処理部３３ａは、基準信号Ｓａ０のサンプリングデータに基づいて、基準信号Ｓａ０の有効性を判定する。基準信号Ｓａ０は、コイル電圧Ｃｖ１と同じ波形の定常波であるため、信号処理部３３ａは、基準信号Ｓａ０の周波数や平均値を予め設定した閾値と比較することで、基準信号Ｓａ０の異常判定を行う。
Further, temperature data is also obtained from the signal S1. Since the actual temperature cannot fluctuate, even if the temperature data continues to fluctuate, it is treated as a detection abnormality.
Further, the
このように、信号処理部３３ａは、系統Ａのメイントルク検出手段及びサブトルク検出手段のトルク検出で用いる信号をＡＤ変換した結果に基づいて、これらの信号の有効性を判定する。
同様に、信号処理部３３ｂは、励磁信号Ｅ１，Ｅ２及びコイル電圧Ｃｖ１，Ｃｖ２のサンプリングデータに基づいて、励磁系の異常判定を行うと共に、信号Ｍ２，Ｓ２のサンプリングデータに基づいて、信号Ｍ２，Ｓ２の有効性を判定する。さらに、信号処理部３３ｂは、基準信号Ｓｂ０のサンプリングデータに基づいて、基準信号Ｓｂ０の有効性を判定する。
As described above, the
Similarly, the
このように、信号処理部３３ｂは、信号処理部３３ａと同様に、系統Ｂのメイントルク検出手段及びサブトルク検出手段のトルク検出で用いる信号をＡＤ変換した結果に基づいて、これらの信号の有効性を判定する。
また、信号処理部３３ａ，３３ｂは、励磁系の異常判定の結果、何れか一方の系統に異常が発生していると判定した場合、タイミング信号Ｔｍ１又はＴｍ２の送信を停止することで異常がある系統の励磁を停止し、正常側の励磁のみを行うようにする。これは、コイル間の相互インダクタンスによる検出誤差を防ぐためである。
As described above, the
Further, when the
なお、コイル２１ａ及び２１ｂが検出コイルに対応している。また、信号処理部３３ａ、差動アンプ３５ａ、コンデンサＣ１及びＡＤ変換器３６ａがメイントルク検出手段の第１の信号処理部に対応し、信号処理部３３ｂ、差動アンプ３５ｂ、コンデンサＣ２及びＡＤ変換器３６ｂがメイントルク検出手段の第２の信号処理部に対応している。
さらに、信号処理部３３ａ、差動アンプ３８ａ、発振器３９ａ及びＡＤ変換器３６ａが一方のサブトルク検出手段に対応し、信号処理部３３ｂ、差動アンプ３８ｂ、発振器３９ｂ及びＡＤ変換器３６ｂが他方のサブトルク検出手段に対応している。
The
Further, the
また、信号処理部３３ａ、ＡＤ変換器３６ａ及びＡＤ変換器４０ａが監視手段に対応し、出力部３７ａ及び３７ｂが出力手段に対応している。さらに、信号処理部３３ａ及びＡＤ変換器３６ａ、並びに信号処理部３３ｂ及びＡＤ変換器３６ｂがインピーダンス測定手段に対応している。また、パワーアンプ３１ａ、発振器３２ａ、抵抗Ｒ１及び波形源３４ａが第１の励磁回路に対応し、パワーアンプ３１ｂ、発振器３２ｂ、抵抗Ｒ２及び波形源３４ｂが第２の励磁回路に対応している。
なお、インピーダンス測定手段とは、直接的にインピーダンスの値を出力しなくても、インピーダンスを確定するに十分なデータを測定し処理する手段をいう。
Further, the
The impedance measuring means means means for measuring and processing data sufficient to determine the impedance without directly outputting the impedance value.
次に、本実施形態の動作について説明する。
トルクセンサ２０の各コイル２１ａ，２１ｂは、入出力軸のねじれ角に従って対称にインピーダンスが変化するように設計されているため、運転者がステアリング操作をしてトーションバー７４がねじれたとき、コイル電圧Ｃｖ１とコイル電圧Ｃｖ２とには相対角（操舵トルク）に応じた電圧差が生じる。
Next, the operation of this embodiment will be described.
The
このとき、系統Ａのメイントルク検出手段は、差動アンプ３５ａによってコイル電圧Ｃｖ１とコイル電圧Ｃｖ２との電圧差を増幅した信号Ｍ１に基づいて、メイントルク信号を検出する。また、系統Ｂのメイントルク検出手段は、差動アンプ３５ｂによってコイル電圧Ｃｖ１とコイル電圧Ｃｖ２との電圧差を増幅した信号Ｍ２に基づいて、メイントルク信号を検出する。
At this time, the main torque detection means of the system A detects the main torque signal based on the signal M1 obtained by amplifying the voltage difference between the coil voltage Cv1 and the coil voltage Cv2 by the
ここで、トルク検出装置３０の各要素がすべて正常である場合には、信号処理部３３ａ，３３ｂは、ＡＤ変換器３６ａ，３６ｂ及びＡＤ変換器４０ａ，４０ｂから送信される各サンプリングデータに基づいて、メイントルク信号の検出に用いる各信号（Ｅ１，Ｅ２，Ｃｖ１，Ｃｖ２，Ｍ１，Ｍ２）が正常であると判断する。すなわち、系統Ａ，Ｂが検出したメイントルク信号は、何れも正常値であると判断する。そのため、出力部３７ａ，３７ｂは、異常判定の結果、すべてが正常に機能していることをコントローラ１５へ送信すると共に、系統Ａで検出したメイントルク信号をトルク検出装置３０で検出したトルク検出値Ｔとして出力部３７ａからコントローラ１５へ出力する。
Here, when all the elements of the torque detection device 30 are normal, the
すると、コントローラ１５は、トルク検出装置３０から入力したトルク検出値Ｔと、車速センサ１６で検出した車速検出値Ｖとに基づいて、操舵補助トルク指令値を算出する。そして、この操舵補助トルク指令値に基づいて電動モータ１２を駆動制御する。このようにして、トルク検出値Ｔ及び車速検出値Ｖに応じた操舵補助力を操舵系に付与する操舵補助制御を行う。
Then, the
この状態から、差動アンプ３５ａに異常が発生すると、差動アンプ３５ａが出力する信号Ｍ１が異常信号となる。そのため、信号処理部３３ａは、ＡＤ変換器３６ａから送信される信号Ｍ１のサンプリングデータに基づいて、信号Ｍ１に異常が発生していると判定する。すなわち、系統Ａで検出したメイントルク信号は正常値ではないと判断する。そのため、出力部３７ａ，３７ｂは、異常判定の結果、系統Ａのメイントルク検出手段に異常が発生していることをコントローラ１５へ送信すると共に、系統Ｂで検出した正常なメイントルク信号をトルク検出装置３０で検出したトルク検出値Ｔとして出力部３７ｂからコントローラ１５へ出力する。
If an abnormality occurs in the
これにより、コントローラ１５は、系統Ａで検出したメイントルク信号に代えて、系統Ｂで検出したメイントルク信号を用いて操舵補助制御を行うことができる。また、コントローラ１５は、警報を発するなどにより、運転者に対し修理が必要であることを報知することができる。
このように、メイントルク検出手段が２系統で成り立っているため、一方のメイントルク検出手段を構成する回路やロジックに異常が発生した場合であっても、他方のメイントルク検出手段によってメイントルク信号の出力が可能である。したがって、操舵補助制御を継続することができ、信頼性の高い電動パワーステアリング装置とすることができる。
Thereby, the
Thus, since the main torque detection means is composed of two systems, even if an abnormality occurs in the circuit or logic constituting one of the main torque detection means, the main torque signal is detected by the other main torque detection means. Can be output. Therefore, the steering assist control can be continued, and a highly reliable electric power steering apparatus can be obtained.
また、各メイントルク検出手段は、２個のコイルの電位差（Ｃｖ１−Ｃｖ２）に基づいてメイントルク信号を検出している。これにより、温度変化や外部電磁波の影響をキャンセルし、相対角にのみ依存する値を得ることができる。すなわち、２個のコイルの電位差をとることで、トルクセンサとしての感度を２倍にすることができる。
さらに、コイル電圧Ｃｖ１，Ｃｖ２は、０Ｖから電源電圧（５Ｖ）までの間で目一杯振れるように設計されているため、トルク変化によって生じるコイル電圧Ｃｖ１，Ｃｖ２の電圧変動（すなわち感度）を最大化することができ、差動アンプ３５ａ，３５ｂ及び差動アンプ３８ａ，３８ｂの増幅率を下げることができる。
Each main torque detecting means detects the main torque signal based on the potential difference (Cv1-Cv2) between the two coils. Thereby, it is possible to cancel the influence of temperature change and external electromagnetic waves, and obtain a value that depends only on the relative angle. That is, the sensitivity as a torque sensor can be doubled by taking the potential difference between the two coils.
Furthermore, since the coil voltages Cv1 and Cv2 are designed to swing fully between 0V and the power supply voltage (5V), voltage fluctuations (that is, sensitivity) of the coil voltages Cv1 and Cv2 caused by torque changes are maximized. The amplification factors of the
差動アンプ３５ａと差動アンプ３５ｂは、コイル電圧Ｃｖ１とコイル電圧Ｃｖ２との電圧差をとるため、コイル２１ａ，２１ｂ以外の励磁部（パワーアンプ３１ａ，３１ｂ、発振器３２ａ，３２ｂ、抵抗Ｒ１，Ｒ２）は、２系統で全く同一特性であることが望ましいが、実際には特性に多少の違いがある場合がある。しかしながら、特性に多少の違いがあったとしても、上述したように差動アンプ３５ａ，３５ｂの増幅率を小さく抑えることができるため、回路の特性差がトルクの検出誤差として現れにくい。また、ノイズに対しても強くなる。
Since the
これは、差動アンプ３８ａ，３８ｂについても同様なことがいえる。すなわち、基準電圧Ｓａ０，Ｓｂ０の揺らぎや温度変動が、トルクの検出誤差として現れにくい。
このように、メイントルク検出手段は、相対角のみに依存するコイル電圧差をもとにトルクを算出するため、高精度である。そして、本実施形態では、そのメイントルク検出手段を２系統もった回路構成であるため、信頼性が高い。
また、トルクセンサ２０を構成するコイルについては、コイル４個を備えた２重系とせず、一対のコイルしか備えていない。コイル４個を備えた２重系では、サイズの増大により乗員の衝突安全用のエネルギー吸収ストロークを犠牲にしてしまうが、本実施形態では、このような問題を回避することができる。
The same applies to the
In this way, the main torque detection means calculates the torque based on the coil voltage difference that depends only on the relative angle, and thus is highly accurate. In this embodiment, since the circuit configuration has two main torque detection means, the reliability is high.
Moreover, about the coil which comprises the
この差動アンプ３５ａに異常が発生している状態から、例えばコイル２１ａに異常が発生すると、２つのメイントルク検出手段が共に正常なメイントルク信号を出力できない状態となる。このような場合には、１個のコイルからトルクを検出するサブトルク検出手段を使用する。
系統Ａのサブトルク検出手段は、差動アンプ３８ａによってコイル電圧Ｃｖ１と基準電圧Ｓａ０との電圧差を増幅した信号Ｓ１に基づいて、サブトルク信号を検出する。また、系統Ｂのサブトルク検出手段は、差動アンプ３８ｂによってコイル電圧Ｃｖ２と基準電圧Ｓｂ０との電圧差を増幅した信号Ｓ２に基づいて、サブトルク信号を検出する。
If, for example, an abnormality occurs in the
The sub-torque detection means of the system A detects the sub-torque signal based on the signal S1 obtained by amplifying the voltage difference between the coil voltage Cv1 and the reference voltage Sa0 by the
このとき、コイル２１ａに異常が発生しているため、信号処理部３３ａ，３３ｂは、ＡＤ変換器３６ａ，３６ｂ及びＡＤ変換器４０ａ，４０ｂから送信される各信号のうち、サブトルク信号の検出に用いる各信号（Ｃｖ１，Ｓ１）に異常が発生していると判断する。すなわち、系統Ａが検出したサブトルク信号は、正常値ではないと判断する。そのため、出力部３７ａ，３７ｂは、異常判定の結果、２つのメイントルク検出手段と系統Ａのサブトルク検出手段に異常が発生しており、系統Ｂのサブトルク検出手段は正常に機能していることをコントローラ１５へ送信すると共に、系統Ｂで検出したサブトルク信号をトルク検出装置３０で検出したトルク検出値Ｔとして出力部３７ｂからコントローラ１５へ出力する。
At this time, since an abnormality has occurred in the
したがって、この場合には、コントローラ１５は、系統Ｂのサブトルク検出手段で検出したサブトルク信号に基づいて操舵補助制御を行う。
このように、２つのコイルの電圧差からトルクを検出するメイントルク検出手段に異常が発生している場合には、サブトルク検出手段を用いて１つのコイルの電圧からトルクを検出する。したがって、仮に一方のコイルに異常が発生した場合でも、トルク検出値Ｔの出力を継続することができ、操舵補助制御を継続させることができる。
Therefore, in this case, the
As described above, when an abnormality has occurred in the main torque detecting means for detecting the torque from the voltage difference between the two coils, the torque is detected from the voltage of one coil using the sub torque detecting means. Therefore, even if an abnormality occurs in one of the coils, the output of the torque detection value T can be continued and the steering assist control can be continued.
また、サブトルク検出手段では、インピーダンス平面座標上におけるインピーダンス変化ベクトルが、トルクを一定とし温度を変化させたときと、温度を一定としトルクを変化させたときとで異なることを用いて、測定した１個のコイルのインピーダンスに基づいてトルクを検出する。そのため、特別な温度補償回路を要せずに、１個のコイルから温度変化によるインピーダンス変化を補償したトルクを検出することができる。
このように、コイルのインピーダンス成分のうち、Ｒ成分とＬ成分とが、相対角変化時と温度変化時とで異なる変化をすることを利用することで、１個のコイルから適切にトルクを検出することができる。
Further, the sub-torque detection means measured using the fact that the impedance change vector on the impedance plane coordinate is different between when the torque is constant and the temperature is changed and when the temperature is constant and the torque is changed. Torque is detected based on the impedance of the individual coils. Therefore, it is possible to detect torque that compensates for impedance changes due to temperature changes from one coil without requiring a special temperature compensation circuit.
In this way, by using the fact that the R component and the L component of the impedance component of the coil change differently when the relative angle changes and when the temperature changes, the torque is appropriately detected from one coil. can do.
ところで、インピーダンスは、電圧と電流の比率と位相差とを複素数表現したものであり、コイル２１ａ，２１ｂの電流はそれぞれ励磁電圧Ｅ１，Ｅ２に比例し、コイル２１ａ，２１ｂの電圧はＣｖ１，Ｃｖ２であるので、これらを測定して比と位相差をとればインピーダンスが求まる。しかしながら、コイル電圧Ｃｖ１，Ｃｖ２と励磁電圧Ｅ１，Ｅ２とを直接測定してインピーダンスを求めるには、高精度な電圧測定器が必要となり、コストアップとなる。
By the way, the impedance is a complex representation of the ratio of voltage to current and the phase difference. The currents of the
そこで、本実施形態では、コイル電圧Ｃｖ１，Ｃｖ２と基準電圧Ｓａ０，Ｓｂ０との差を増幅した信号Ｓ１，Ｓ２を利用する。信号Ｓ１，Ｓ２は、基準状態に対する差の増幅値であり、温度変動と相対角変動の情報を豊富に含んだ波形を増幅したものである。そのため、高価な測定器を用いなくても適切にインピーダンスが測定可能である。
以上のように、本実施形態のトルク検出装置３０は、２個のコイル２１ａ，２１ｂの差動に基づいてトルクを検出するメイントルク検出手段と、１個のコイル２１ａ（又は２１ｂ）の出力電圧と基準電圧Ｓａ０（又はＳｂ０）との電圧差に基づいてトルクを検出するサブトルク検出手段とを有する。そして、メイントルク検出手段とサブトルク検出手段との異常を監視し、正常であると判定したトルク検出手段で検出したトルクを、最終的にトルク検出装置３０のトルク検出値Ｔとして出力する。
Therefore, in the present embodiment, signals S1 and S2 obtained by amplifying the difference between the coil voltages Cv1 and Cv2 and the reference voltages Sa0 and Sb0 are used. Signals S1 and S2 are amplified values of the difference with respect to the reference state, and are obtained by amplifying a waveform containing abundant information on temperature fluctuation and relative angle fluctuation. Therefore, the impedance can be measured appropriately without using an expensive measuring instrument.
As described above, the torque detection device 30 of the present embodiment includes a main torque detection means for detecting a torque based on the differential of the two
したがって、正常時には、２個のコイルの差動に基づいてトルクを検出するメイントルク検出手段による高精度なトルク検出を行い、異常発生時には、１個のコイルからトルクを検出するサブトルク検出手段によるトルク検出を行うことができる。したがって、高精度測定とフォールトトレラントな２重システムを両立することができる。 Therefore, when normal, high-accuracy torque detection is performed by the main torque detection means that detects torque based on the differential of the two coils, and when abnormality occurs, torque by the sub-torque detection means that detects torque from one coil. Detection can be performed. Therefore, it is possible to achieve both high precision measurement and a fault tolerant dual system.
（変形例）
図６は、トルク検出装置３０の構成の別の例を示すブロック図である。
この図６に示すトルク検出装置３０は、図２に示すトルク検出装置３０に対して、励磁回路を変更したものである。
電源Ｖ１，Ｖ２はコントローラ１５から供給される２系統の電源（５Ｖ）である。
(Modification)
FIG. 6 is a block diagram illustrating another example of the configuration of the torque detection device 30.
The torque detection device 30 shown in FIG. 6 is obtained by changing the excitation circuit with respect to the torque detection device 30 shown in FIG.
The power sources V1 and V2 are two power sources (5V) supplied from the
コイル２１ａの片側端（パワーアンプ３１ａのマイナス端子部）は、抵抗Ｒ１２及びＲ１１の分圧比によりバイアスされており、コイル２１ａに流すバイアス電流を変更することが可能となっている。コイル２１ｂについても同様である。
これにより、パワーアンプ３１ａは流すバイアス電流を０にする、若しくは減らすことができ、電流容量の小さいものを使うことができる。さらに、コイル２１ａの左端端子からグランド端子への等価インピーダンスが小さくなり、コイルの検出感度（コイルインピーダンス変化に対するコイル電圧Ｃｖ１の変化）を増大することができる。
One end of the
As a result, the
図７は、トルク検出装置３０のさらなる変形例を示すブロック図である。
この図７に示すトルク検出装置３０は、図６に示すトルク検出装置３０に対して、ＡＤ変換器３６ａ，３６ｂを高精度のＡＤ変換器３６ａ´，３６ｂ´に変更したものである。
この場合、Ｃｖ１＝Ｓ１´、Ｃｖ２＝Ｓ２´とし、信号Ｓ１´をＡＤ変換器３６ａ´に入力し、信号Ｓ２´をＡＤ変換器３６ｂ´に入力する。これにより、コイル電圧Ｃｖ１，Ｃｖ２を精密に測定し、その測定したコイル電圧Ｃｖ１，Ｃｖ２から直接的にコイルのインピーダンスを求めるようにする。すなわち、図６に示すトルク検出装置３０で用いていたコイル電圧と基準電圧との差の増幅信号（Ｓ１，Ｓ２）を利用せずに、コイルのインピーダンスを求める。したがって、図６に示す差動アンプ３８ａ，３８ｂ、及び基準電圧を出力する発振器３９ａ，３９ｂが不要となる。
FIG. 7 is a block diagram illustrating a further modification of the torque detection device 30.
The torque detector 30 shown in FIG. 7 is obtained by changing the
In this case, Cv1 = S1 ′ and Cv2 = S2 ′ are set, the signal S1 ′ is input to the
ここで、図６に示すＡＤ変換器３６ａ，３６ｂとしては、１２ｂｉｔ程度の分解能を持ったものが使用されているのに対し、このＡＤ変換器３６ａ´，３６ｂ´としては、１６ｂｉｔ程度の分解能を持ったものを使用する。また、診断機能には高精度のＡＤ変換器は過剰スペックとなるため、ＡＤ変換器４０ａ，４０ｂとしては中程度（１２ｂｉｔ〜１０ｂｉｔ）の分解能を持ったものを使用する。
Here, the
このように、コイル電圧Ｃｖ１，Ｃｖ２はＡＤ変換器３６ａ´，３６ｂ´で精密に測定するため、ＡＤ変換器３６ａ´，３６ｂ´よりも粗いＡＤ変換器４０ａ，４０ｂでコイル電圧Ｃｖ１，Ｃｖ２を診断する必要がない。すなわち、ＡＤ変換器４０ａにはコイル電圧Ｃｖ１（＝Ｓ１´）を入力する必要がなく、同様に、ＡＤ変換器４０ｂにはコイル電圧Ｃｖ２（＝Ｓ２´）を入力する必要がない。
以上のように、高精度ＡＤ変換器３６ａ´，３６ｂ´を用いることで、回路構成を簡素化することができる。したがって、高精度ＡＤ変換器が普及し低コストとなれば、この方式を用いることでコスト的に有利となる。
Thus, since the coil voltages Cv1 and Cv2 are precisely measured by the
As described above, the circuit configuration can be simplified by using the high-
１…ステアリングホイール、２…ステアリングシャフト、１０…操舵補助機構、１１…減速ギヤ、１２…電動モータ、１５…コントローラ、１６…車速センサ、１７…バッテリ、１８…イグニッションスイッチ、２０…トルクセンサ、２１ａ，２１ｂ…コイル、３０…トルク検出装置、３１ａ，３１ｂ…パワーアンプ、３２ａ，３２ｂ…発振器、３３ａ，３３ｂ…信号処理部、３４ａ，３４ｂ…波形源、３５ａ，３５ｂ…差動アンプ（メイン）、３６ａ，３６ｂ…ＡＤ変換器、３６ａ´，３６ｂ´…高精度ＡＤ変換器、３７ａ，３７ｂ…出力部、３８ａ，３８ｂ…差動アンプ（サブ）、３９ａ，３９ｂ…発振器、４０ａ，４０ｂ…ＡＤ変換器
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記一対の検出コイルの出力電圧を差動増幅して、前記トルクを検出するメイントルク検出手段と、
前記検出コイルの出力電圧と予め設定した基準電圧とをそれぞれ差動増幅して、前記トルクを検出する２つのサブトルク検出手段と、
前記メイントルク検出手段及び前記サブトルク検出手段の異常を監視する監視手段と、
前記監視手段による異常診断結果と、前記監視手段で正常であると判断されたトルク検出手段で検出したトルクを出力する出力手段と、を備え、
前記サブトルク検出手段は、前記検出コイルのインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段を有し、
前記インピーダンスの抵抗成分をＸ軸、リアクタンス成分をＹ軸とする平面座標上におけるインピーダンスベクトルの変化を示すインピーダンス変化ベクトルが、トルクを一定とし温度を変化させたときと、温度を一定としトルクを変化させたときとで異なることを用いて、前記インピーダンス測定手段で測定した前記検出コイルのインピーダンスに基づいて、前記トルクを検出する
ことを特徴とするトルク検出装置。 A torque detection device comprising a pair of detection coils whose impedances change in opposite directions according to torque generated on a rotating shaft,
A main torque detecting means for differentially amplifying output voltages of the pair of detection coils and detecting the torque;
Two sub-torque detection means for differentially amplifying an output voltage of the detection coil and a preset reference voltage to detect the torque;
Monitoring means for monitoring abnormality of the main torque detecting means and the sub torque detecting means;
An abnormality diagnosis result by the monitoring means, and an output means for outputting the torque detected by the torque detection means determined to be normal by the monitoring means ,
The sub-torque detection means has impedance measurement means for measuring the impedance of the detection coil,
The impedance change vector indicating the change in impedance vector on the plane coordinates with the resistance component of the impedance as the X axis and the reactance component as the Y axis changes the torque at a constant temperature and when the temperature is changed. The torque detection device , wherein the torque is detected based on the impedance of the detection coil measured by the impedance measurement means, using the difference between the two when the impedance is measured .
前記一対の検出コイルの出力電圧を差動増幅して、前記トルクを検出するメイントルク検出手段と、
前記検出コイルの出力電圧を測定し、当該検出コイルの出力電圧に基づいてそれぞれ前記トルクを検出する２つのサブトルク検出手段と、
前記メイントルク検出手段及び前記サブトルク検出手段の異常を監視する監視手段と、
前記監視手段による異常診断結果と、前記監視手段で正常であると判断されたトルク検出手段で検出したトルクを出力する出力手段と、を備え、
前記サブトルク検出手段は、前記検出コイルのインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段を有し、
前記インピーダンスの抵抗成分をＸ軸、リアクタンス成分をＹ軸とする平面座標上におけるインピーダンスベクトルの変化を示すインピーダンス変化ベクトルが、トルクを一定とし温度を変化させたときと、温度を一定としトルクを変化させたときとで異なることを用いて、前記インピーダンス測定手段で測定した前記検出コイルのインピーダンスに基づいて、前記トルクを検出する
ことを特徴とするトルク検出装置。 A torque detection device comprising a pair of detection coils whose impedances change in opposite directions according to torque generated on a rotating shaft,
A main torque detecting means for differentially amplifying output voltages of the pair of detection coils and detecting the torque;
Two sub-torque detection means for measuring the output voltage of the detection coil and detecting the torque based on the output voltage of the detection coil;
Monitoring means for monitoring abnormality of the main torque detecting means and the sub torque detecting means;
An abnormality diagnosis result by the monitoring means, and an output means for outputting the torque detected by the torque detection means determined to be normal by the monitoring means ,
The sub-torque detection means has impedance measurement means for measuring the impedance of the detection coil,
The impedance change vector indicating the change in impedance vector on the plane coordinates with the resistance component of the impedance as the X axis and the reactance component as the Y axis changes the torque at a constant temperature and when the temperature is changed. The torque detection device , wherein the torque is detected based on the impedance of the detection coil measured by the impedance measurement means, using the difference between the two when the impedance is measured .
他方の検出コイルを励磁し当該検出コイルの出力電圧を検出する、前記第１の励磁回路とは独立した第２の励磁回路と、を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のトルク検出装置。 A first excitation circuit that excites one of the pair of detection coils and detects an output voltage of the detection coil;
Detecting the output voltage of the exciting the other detection coil the detection coil, according to claim 1 or 2, characterized in Rukoto and a second excitation circuit that is independent from the first excitation circuit Torque detection device.
前記第１の励磁回路で検出した前記一方の検出コイルの出力電圧と、前記第２の励磁回路で検出した前記他方の検出コイルの出力電圧との電圧差を信号処理して前記トルクを検出する第１の信号処理部と、
前記第１の励磁回路で検出した前記一方の検出コイルの出力電圧と、前記第２の励磁回路で検出した前記他方の検出コイルの出力電圧との電圧差を、前記第１の信号処理部と同様に信号処理して前記トルクを検出する第２の信号処理部と、を備えることを特徴とする請求項３に記載のトルク検出装置。 The main torque detecting means includes
The torque is detected by signal processing the voltage difference between the output voltage of the one detection coil detected by the first excitation circuit and the output voltage of the other detection coil detected by the second excitation circuit. A first signal processing unit;
A voltage difference between the output voltage of the one detection coil detected by the first excitation circuit and the output voltage of the other detection coil detected by the second excitation circuit is calculated with the first signal processing unit. The torque detection device according to claim 3, further comprising: a second signal processing unit that similarly performs signal processing to detect the torque.
前記ＡＤ変換器の出力に基づいて前記信号の有効性を監視することで、前記メイントルク検出手段及び前記サブトルク検出手段の異常を監視することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のトルク検出装置。 The monitoring means includes an AD converter that AD converts a signal used for detection of the torque by the main torque detection means and the sub torque detection means,
By monitoring the validity of the signal based on the output of the AD converter according to claim 1 any one of 4, wherein that you monitor an abnormality of the main torque detecting means and the sub torque detecting means The torque detection device according to item .
ステアリング機構に入力される操舵トルクを検出する前記請求項１〜５の何れか１項に記載のトルク検出装置と、
少なくとも前記トルク検出装置で検出した操舵トルクに基づいて、前記操舵補助力を付与すべく電動モータを駆動制御するモータ制御手段と、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。 An electric power steering device that applies a steering assist force to reduce a steering burden on a driver to a steering system,
The torque detection device according to any one of claims 1 to 5, which detects a steering torque input to a steering mechanism,
Based on at least the detected by the torque detector steering torque, said motor control means for driving and controlling the electric motor to impart a steering assist force, an electric power steering apparatus according to claim Rukoto equipped with.
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