JP6048060B2 - トルク検出装置及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (6)
- 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
ことを特徴とするトルク検出装置。 - 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
ことを特徴とするトルク検出装置。 - 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。 - 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、を備えることを特徴とする請求項3に記載のトルク検出装置。 - 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。 - 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。
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