JP6194619B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、ラックアンドピニオン式の電動パワーステアリング装置に関する。

従来、モータを駆動源とした電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）には、ステアリングホイールに生じた操舵角を３６０°を超えた範囲の絶対角で検出するステアリングセンサが設けられたものがある（例えば、特許文献１）。ところで、こうしたステアリングセンサは、モータの回転角（モータ角）を３６０°の範囲の相対角で検出するレゾルバ等の相対角センサに比べ、一般にその分解能が低い。そこで、ステアリングセンサにより検出される操舵角検出値に基づいてステアリング中立位置でのモータ角の値（モータ中点）を求めることにより、相対角センサにより検出されるモータ角検出値に基づいて操舵角を絶対角で検出することがある。

具体的には、モータ中点は、ステアリングセンサの操舵角検出値（中立位置を基準とした値）に、ステアリングシャフトの回転量に対するモータの回転量の比を示す一定の係数を乗算して得られる換算値を、相対角センサのモータ角検出値から差し引くことで演算される。なお、このようなモータ角検出値に基づく操舵角は、例えばステアリングホイールを中立位置に復帰させるステアリング戻し制御等の実行に用いられる（例えば、特許文献２）。

特開２０１２−２１８９０号公報 特開２００８−１６８６５９号公報 特開２００４−１８２１３８号公報

ところで、ＥＰＳには、ステアリングシャフトが連結されたラックアンドピニオン機構とは別の変換機構を介してモータの回転をラック軸の往復動に変換することにより、操舵系にアシスト力を付与する操舵力補助装置を備えたものがある。また、近年では、操舵フィーリングの向上等を目的として、ラックアンドピニオン機構を構成するラック歯の諸元をラック軸の軸方向位置によって異なせることにより、ステアリングギヤ比を操舵角に応じて変化させる所謂バリアブルギヤレシオのＥＰＳが提案されている（例えば、特許文献３）。

ここで、ステアリングシャフトが連結されたラックアンドピニオン機構とは別の変換機構を有する操舵力補助装置を備えたＥＰＳをバリアブルギヤレシオとした場合、上記従来の方法でモータ中点を求めると、そのときの操舵角によっては、実際に中立位置まで操舵した際に検出されるモータ角検出値が、モータ中点からずれた値となることがある。つまり、モータ中点を求める際の操舵角によっては、モータ角検出値に基づく操舵角が実際の操舵角からずれる虞があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、バリアブルギヤレシオとしつつ、相対角センサにより検出されるモータ角検出値に基づいて正確な操舵角を絶対角で検出できる電動パワーステアリング装置を提供することにある。

上記課題を解決する電動パワーステアリング装置は、ステアリング操作に伴うピニオン軸の回転をラック軸の往復動に変換するラックアンドピニオン機構と、モータとを有し、前記ラックアンドピニオン機構とは別の変換機構を用いて前記モータの回転を前記ラック軸の往復動に変換することにより操舵系にアシスト力を付与する操舵力補助装置と、ステアリングホイールの操舵角を絶対角で検出するステアリングセンサと、前記モータのモータ角を相対角で検出する相対角センサと、前記操舵力補助装置の作動を制御する制御装置とを備えたものにおいて、前記ラックアンドピニオン機構を構成する前記ラック軸のラック歯は、ステアリングギヤ比が操舵角に応じて変化するように形成されたものであって、前記制御装置は、前記相対角センサにより検出されるモータ角検出値と、前記操舵角に応じて変化する前記ステアリングギヤ比を考慮しつつ前記ステアリングセンサにより検出される操舵角検出値に基づいて演算される換算値とによって、ステアリング中立位置でのモータ角の値であるモータ中点を演算することを要旨とする。

上記構成によれば、モータ中点は、操舵角に応じて変化するステアリングギヤ比を考慮しつつ、操舵角検出値に基づいて演算される換算値を用いて演算される。そのため、モータ中点を求める際の操舵角がどのような角度であっても、実際に中立位置まで操舵した際に相対角センサにより検出されるモータ角検出値が、モータ中点からずれた値となることを防止できる。
具体的には、上記電動パワーステアリング装置は、前記換算値は、前記ステアリングセンサにより検出される操舵角検出値での前記ステアリングギヤ比に応じた、前記ステアリングホイールの回転量に対する前記モータの回転量を示すことが好ましい。

本発明によれば、バリアブルギヤレシオとしつつ、相対角センサにより検出されるモータ角検出値に基づいて正確な操舵角を絶対角で検出できる。

電動パワーステアリング装置の概略構成図。 （ａ）は操舵角とステアリングギヤ比との関係を示すマップ、（ｂ）は操舵角と換算値との関係を示すマップ。

以下、電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）の一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、ＥＰＳ１は、ステアリングホイール２が固定されるステアリングシャフト３と、ステアリングシャフト３の回転に応じて軸方向に往復動するラック軸５とを備えている。なお、ステアリングシャフト３は、ステアリングホイール２側から順にコラム軸７、中間軸８、及びピニオン軸９を連結することにより構成されている。

ラック軸５とピニオン軸９とは、所定の交叉角をもって配置されており、ラック軸５に形成された第１ラック歯５ａとピニオン軸９に形成された第１ピニオン歯９ａとが噛合されることで第１ラックアンドピニオン機構１１が構成されている。また、ラック軸５の両端には、タイロッド１２が連結されており、タイロッド１２の先端は転舵輪１３が組み付けられた図示しないナックルに連結されている。したがって、ＥＰＳ１では、ステアリング操作に伴うステアリングシャフト３の回転が第１ラックアンドピニオン機構１１によりラック軸５の軸方向移動に変換され、この軸方向移動がタイロッド１２を介してナックルに伝達されることにより、転舵輪１３の転舵角、すなわち車両の進行方向が変更される。

ここで、本実施形態のＥＰＳ１は、第１ラック歯５ａの諸元（例えば歯のピッチや圧力角等）がラック軸５における軸方向位置に応じて異なるように設定されており、ステアリングギヤ比Ｒがステアリングホイール２の操舵角θs（ピニオン軸９の回転角）に応じて変化する所謂バリアブルギヤレシオのＥＰＳとして構成されている。つまり、ＥＰＳ１では、ステアリングホイール２（ピニオン軸９）の回転量に対する転舵輪１３の転舵量（ラック軸５の移動量）が操舵角θsに応じて変化する。

具体的には、図２（ａ）に示すように、ステアリングギヤ比Ｒは、操舵角θsの絶対値が所定の第１操舵角θs1以下の中立位置近傍の領域Ａでは、所定の第１ギヤ比Ｒ１に設定されている。また、操舵角θsの絶対値が第１操舵角θs1よりも大きく、かつ所定の第２操舵角θs2（θs1＜θs2）以下の領域Ｂでは、ステアリングギヤ比Ｒは、操舵角θsの絶対値の増大につれて徐々に大きくなるように設定されている。そして、操舵角の絶対値が所定の第２操舵角θs2よりも大きなステアリングエンド近傍の領域Ｃでは、ステアリングギヤ比Ｒは、所定の第２ギヤ比Ｒ２（Ｒ１＜Ｒ２）に設定されている。これにより、操舵角θsが大きくなるほど、転舵輪１３の転舵角が変化しやすくなり、素早く旋回することが可能になっている。なお、図２では、一方側（例えば右側）に操舵した場合の操舵角θsをプラス、他方側（例えば左側）に操舵した場合の操舵角θsをマイナスとしている。

また、図１に示すように、ＥＰＳ１は、操舵系にステアリング操作を補助するためのアシスト力を付与する操舵力補助装置２１と、操舵力補助装置２１の作動を制御する制御装置としてのＥＣＵ２２とを備えている。

操舵力補助装置２１は、その駆動源となるモータ２３と、モータ２３にウォームアンドホイール等の減速機構２４を介して駆動連結されるピニオン軸２５とを備えている。本実施形態のモータ２３には、その回転角（モータ角θm）を３６０°の範囲の相対角（電気角）検出する相対角センサとしてのレゾルバ２６が設けられている。また、ラック軸５とピニオン軸２５とは、所定の交叉角をもって配置されており、ラック軸５に形成された第２ラック歯５ｂとピニオン軸２５に形成された第２ピニオン歯２５ａとが噛合されることで変換機構としての第２ラックアンドピニオン機構２７が構成されている。そして、操舵力補助装置２１は、モータ２３の回転を減速機構２４により減速してピニオン軸２５に伝達し、このピニオン軸２５の回転を第２ラックアンドピニオン機構２７によってラック軸５の軸方向移動に変換することにより、そのモータトルクをアシスト力として操舵系に付与する。なお、第２ラック歯５ｂの諸元は、ラック軸５における該第２ラック歯５ｂが形成された全領域に亘って同一となるように設定されている。

ＥＣＵ２２には、ステアリングシャフト３に入力される操舵トルクＴを検出するトルクセンサ３１、車速ＳＰＤを検出する車速センサ３２が接続されている。なお、トルクセンサ３１は、コラム軸７の途中に設けられたトーションバー３３を有しており、このトーションバー３３の捻れ角に基づいて操舵トルクＴを検出する。そして、ＥＣＵ２２は、車速ＳＰＤ及び操舵トルクＴに基づいて目標アシスト力を演算し、当該目標アシスト力を操舵力補助装置２１に発生させるべく、モータ２３への駆動電力の供給を通じて該操舵力補助装置２１の作動、すなわち操舵系に付与するアシスト力を制御する。

また、ＥＣＵ２２には、上記レゾルバ２６、及びステアリングホイール２（ステアリングシャフト３）の操舵角θsを３６０°を範囲の絶対角で検出するステアリングセンサ３４が接続されている。そして、ＥＣＵ２２は、後述するようにステアリングセンサ３４により検出される操舵角検出値θs_dに基づいて、ステアリング中立位置でのモータ角θmの値であるモータ中点θm_0を演算し、このモータ中点θm_0とレゾルバ２６により検出されるモータ角検出値θm_dとに基づいて操舵角θsを絶対角で検出する。なお、本実施形態のＥＣＵ２２は、モータ角検出値θm_dに基づく操舵角θsを用いて、例えばステアリングホイール２の中立位置への復帰性を向上させるステアリング戻し制御等を実行し、操舵系に付与するアシスト力を補正する。

次に、本実施形態のＥＣＵによるモータ中点の演算について説明する。
ＥＣＵ２２は、イグニッションスイッチ（ＩＧ）がオンされた直後に、モータ角検出値θm_dから、操舵角θsに応じたステアリングギヤ比Ｒを考慮しつつ操舵角検出値θs_dに基づいて演算される換算値θsmを差し引くことにより、モータ中点θm_0を演算する。

詳述すると、ＥＣＵ２２は、操舵角θsと換算値θsmとの関係が対応づけられた換算マップを有している。この換算マップは、操舵角θsに応じてステアリングギヤ比Ｒが変化することを踏まえ、任意の操舵角θs（を示す値）に対し、該操舵角θsでのステアリングシャフト３の回転量に対するモータ２３の回転量の比を示す係数を乗算した値を換算値θsmとしてマッピングしたものとなっている。

具体的には、図２（ｂ）に示すように、ステアリングギヤ比Ｒが一定の第１ギヤ比Ｒ１である領域Ａでは、換算値θsmの絶対値は、操舵角θsが大きくなるほど第１ギヤ比Ｒ１に応じて線形的に大きくなる。また、ステアリングシャフト３の回転量に対するモータ２３の回転量の比は、ステアリングギヤ比Ｒの値に応じて変化するため、ステアリングギヤ比Ｒが連続的に変化する領域Ｂでは、換算値θsmの絶対値は、操舵角θsの増大に基づいて非線形的に大きくなる。そして、ステアリングギヤ比Ｒが一定の第２ギヤ比Ｒ２である領域Ｃでは、換算値θsmの絶対値は、操舵角θsが大きくなるほど第２ギヤ比Ｒ２に応じて線形的に大きくなる。

そして、ＥＣＵ２２は、ＩＧオン時において、この換算マップを参照することにより操舵角検出値θs_dに応じた換算値θsmを演算し、モータ角検出値θm_dから換算値θsmを減算することにより、モータ中点θm_0を演算する（θm_0＝θm_d−θsm）。

次に、本実施形態の効果について記載する。
（１）操舵角θsに応じたステアリングギヤ比Ｒを考慮した換算マップを参照することにより、操舵角検出値θs_dに基づいて演算される換算値θsmをモータ角検出値θm_dから差し引くことでモータ中点θm_0を演算するようにした。そのため、モータ中点θm_0を求める際の操舵角θsがどのような角度であっても、実際に中立位置まで操舵した際にレゾルバ２６により検出されるモータ角検出値θm_dが、モータ中点θm_0からずれた値となることを防止できる。これにより、ＥＰＳ１をバリアブルギヤレシオとしつつ、レゾルバ２６により検出されるモータ角検出値θm_dに基づいて正確な操舵角θsを絶対角で検出できる。また、操舵角検出値θs_dとモータ角検出値θm_dに基づく操舵角θsとにずれがある場合には、例えばラック軸５とピニオン軸９との組み付けに異常があると判定することも可能である。

（２）ＥＣＵ２２は、ＩＧオン直後にモータ中点θm_0を演算するため、速やかにモータ角検出値θm_dに基づく操舵角θsを用いた制御を実行できる。
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の態様にて実施することもできる。

・上記実施形態において、操舵角θsに応じたステアリングギヤ比Ｒの変化の態様は適宜変更可能である。例えば、中立位置からステアリングエンドまでの全領域に亘り、操舵角θsの絶対値が増大するにつれてステアリングギヤ比Ｒが連続的に大きくなるように、第１ラック歯５ａの諸元を変更してもよい。また、例えば操舵角θsの絶対値が増大するにつれてステアリングギヤ比Ｒが小さくなるように、第１ラック歯５ａの諸元を変更してもよい。

・上記実施形態では、操舵力補助装置２１は、第２ラックアンドピニオン機構２７を用いてモータ２３の回転をラック軸５の往復動に変換したが、これに限らず、例えばボール螺子機構等の他の変換機構を用いてモータ２３の回転をラック軸５の往復動に変換してもよい。

・上記実施形態では、ＥＣＵ２２は、ＩＧオン直後にモータ中点θm_0を求めたが、これに限らず、例えばＩＧオン後に所定時間が経過してからモータ中点θm_0を求めてもよい。

・上記実施形態において、操舵トルクＴ及びトーションバー３３の弾性係数に基づいてトーションバー３３の捩れ量を演算し、モータ中点θm_0を演算する際に該トーションバー３３の捩れ量を考慮してもよい。

・上記実施形態では、ＥＣＵ２２は、換算マップを参照することにより操舵角検出値θs_dに応じた換算値θsmを演算したが、他の態様で換算値θsmを演算してもよく、例えば操舵角検出値θs_dを変数とする関数式に基づいて換算値θsmを演算するようにしてもよい。

次に、上記各実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、それらの効果とともに以下に追記する。
（イ）前記制御装置は、イグニッションスイッチがオンされた直後に前記モータ中点を演算することを特徴とする電動パワーステアリング装置。上記構成によれば、速やかにモータ角検出値に基づく操舵角を用いた制御を実行できる。

１…電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）、２…ステアリングホイール、５…ラック軸、５ａ…第１ラック歯、５ｂ…第２ラック歯、９…ピニオン軸、９ａ…第１ラック歯、１１…第１ラックアンドピニオン機構、２１…操舵力補助装置、２２…ＥＣＵ、２３…モータ、２５…ピニオン軸、２５ａ…第２ピニオン歯、２６…レゾルバ、２７…第２ラックアンドピニオン機構、３４…ステアリングセンサ、Ｒ…ステアリングギヤ比、θm…モータ角、θs…操舵角、θsm…換算値、θm_0…モータ中点、θm_d…モータ角検出値、θS_d…操舵角検出値。

Claims (2)

1. ステアリング操作に伴うピニオン軸の回転をラック軸の往復動に変換するラックアンドピニオン機構と、モータとを有し、前記ラックアンドピニオン機構とは別の変換機構を用いて前記モータの回転を前記ラック軸の往復動に変換することにより操舵系にアシスト力を付与する操舵力補助装置と、ステアリングホイールの操舵角を絶対角で検出するステアリングセンサと、前記モータのモータ角を相対角で検出する相対角センサと、前記操舵力補助装置の作動を制御する制御装置とを備えた電動パワーステアリング装置において、
   前記ラックアンドピニオン機構を構成する前記ラック軸のラック歯は、ステアリングギヤ比が操舵角に応じて変化するように形成されたものであって、
   前記制御装置は、前記相対角センサにより検出されるモータ角検出値と、前記操舵角に応じて変化する前記ステアリングギヤ比を考慮しつつ前記ステアリングセンサにより検出される操舵角検出値に基づいて演算される換算値とによって、ステアリング中立位置でのモータ角の値であるモータ中点を演算することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記換算値は、前記ステアリングセンサにより検出される操舵角検出値での前記ステアリングギヤ比に応じた、前記ステアリングホイールの回転量に対する前記モータの回転量を示すことを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。