JP7145389B2 - 操舵装置 - Google Patents
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Description
請求項2に記載の発明は、前記ハンドルの回転に連動して転舵輪を転舵する転舵機構(4)と、前記転舵機構に操舵補助力を付与するための電動モータ(18)と、前記電動モータの回転角に基づいて、前記回転軸における前記トーションバーよりも下流側部分(9)の回転角を演算するための回転角演算手段(61,62)をさらに含み、前記ハンドル回転角演算手段は、前記回転軸における前記下流側部分の回転角および前記トーションバートルクを用いて前記ハンドルの回転角を演算するように構成されている、請求項1に記載の操舵装置である。
請求項4に記載の発明は、前記ドライバトルク演算手段は、前記加算値に、前記ハンドルの重心に作用する重力によって前記回転軸に与えられる回転アンバランストルクの補償値を加算して前記ドライバトルクを演算するように構成されている、請求項1~3のいずれか一項に記載の操舵装置である。
請求項5に記載の発明は、前記ドライバトルク演算手段は、前記加算値に、前記回転軸における前記トーションバーよりも上流側部分および前記ハンドルに作用する粘性摩擦トルクの補償値を加算して前記ドライバトルクを演算するように構成されており、前記粘性摩擦トルクの補償値は、前記ハンドル回転角の1階微分値と所定の粘性摩擦トルク係数との積である、請求項1~4のいずれか一項に記載の操舵装置である。
請求項6に記載の発明は、前記ドライバトルク演算手段は、前記加算値に、前記回転軸における前記上流側部分および前記ハンドルに作用するクーロン摩擦トルクの補償値を加算して前記ドライバトルクを演算するように構成されており、前記クーロン摩擦トルクの補償値は、所定のクーロン摩擦トルク変化勾配と前記ハンドル回転角の1階微分値との積の双曲線正接値と、所定のクーロン摩擦トルク係数との積である、請求項1~5のいずれか一項に記載の操舵装置である。
請求項7に記載の発明は、前記スパイラルケーブルトルクの補償値は、前記スパイラルケーブルのばね定数と前記ハンドル回転角との積または前記ハンドル回転角に対する前記スパイラルケーブルトルクの補償値を表すマップデータから求められる、請求項1~6のいずれか一項に記載の操舵装置である。
この電動パワーステアリング装置(車両用操舵装置)1は、コラム部に電動モータと減速機とが配置されているコラムアシスト式電動パワーステアリング装置(以下、「コラム式EPS」という)である。
ステアリングシャフト6は、ハンドル2に連結された第1軸8と、第1ユニバーサルジョイント28を介して中間軸7に連結された第2軸9とを含む。第1軸8と第2軸9とは、トーションバー10を介して相対回転可能に連結されている。
第1軸8は、ハンドル2と一体的に回転する回転軸におけるトーションバー10よりも上流側部分の一例である。第2軸9は、ハンドル2と一体的に回転する回転軸におけるトーションバー10よりも下流側部分の一例である。
操舵補助機構5は、操舵補助力を発生するための電動モータ18と、電動モータ18の出力トルクを増幅して転舵機構4に伝達するための減速機19とを含む。この実施形態では、電動モータ18は、三相ブラシレスモータである。減速機19は、ウォームギヤ20と、このウォームギヤ20と噛み合うウォームホイール21とを含むウォームギヤ機構からなる。減速機19は、ギヤハウジング22内に収容されている。以下において、減速機19の減速比(ギヤ比)をrwgで表す場合がある。減速比rwgは、ウォームホイール21の角速度ωwwに対するウォームギヤ20の角速度ωwgの比ωwg/ωwwとして定義される。
電動モータ18は運転者の操舵状態に応じて駆動され、電動モータ18によってウォームギヤ20が回転駆動される。これにより、ウォームホイール21が回転駆動され、ステアリングシャフト6にモータトルクが付与されるとともにステアリングシャフト6(第2軸9)が回転する。そして、ステアリングシャフト6の回転は、中間軸7を介してピニオン軸13に伝達される。ピニオン軸13の回転は、ラック軸14の軸方向移動に変換される。これにより、転舵輪3が転舵される。すなわち、電動モータ18によってウォームギヤ20を回転駆動することによって、電動モータ18による操舵補助が可能となっている。
図2は、ECU12の電気的構成を示す概略図である。
マイクロコンピュータ40は、CPUおよびメモリ(ROM、RAM、不揮発性メモリなど)を備えており、所定のプログラムを実行することによって、複数の機能処理部として機能するようになっている。この複数の機能処理部には、モータ制御部41と、ハンドル操作状態判定部42とが含まれる。
具体的には、モータ制御部41は、トーションバートルクTtbおよび車速Vに基づいて、電動モータ18に流れるモータ電流の目標値である電流指令値を設定する。電流指令値は、操舵状況に応じた操舵補助力(アシストトルク)の目標値に対応している。そして、モータ制御部41は、電流検出部39によって検出されるモータ電流が電流指令値に近づくように、駆動回路38を駆動制御する。これにより、操舵状況に応じた適切な操舵補助が実現される。
図3は、ハンドル操作状態判定部42の電気的構成を示すブロック図である。
ローパスフィルタ52は、ドライバトルク推定部51によって推定されたドライバトルクTdに対してローパスフィルタ処理を行う。ハンズオン/オフ判定部53は、ローパスフィルタ52によるローパスフィルタ処理後のドライバトルクTd’に基づいて、ハンズオン状態かハンズオフ状態かを判定する。以下、これらについて説明する。
Td=Jsw・d2θsw/dt2+Ttb+Tc+Tru+Tfr+Tsc …(1)
Jsw:ハンドル慣性モーメント
θsw:ハンドル角度推定値(ハンドル回転角)
d2θsw/dt2:ハンドル角加速度推定値(ハンドル角度推定値の2階微分値)
Jsw・d2θsw/dt2:ハンドル慣性トルク補償値{=-(ハンドル慣性トルク推定値)}
Ttb:トーションバートルク(この実施形態では、トルクセンサ11によって検出されるトーションバートルク)
Tc:粘性摩擦トルク補償値{=-(粘性摩擦トルク推定値)}
Tru:回転アンバランストルク補償値{=-(回転アンバランストルク推定値)}
Tfr:クーロン摩擦トルク補償値{=-(クーロン摩擦トルク推定値)}
Tsc:スパイラルケーブルトルク補償値{=-(スパイラルケーブルトルク推定値)}
トーションバートルクTtbおよびドライバトルクTdの符号は、この実施形態では、左操舵方向のトルクの場合には正となり、右操舵方向のトルクの場合には負となるものとする。ハンドル角度推定値θswは、ハンドルの中立位置からの正逆回転量を表し、この実施形態では、中立位置から左方向への回転量が正の値となり、中立位置から右方向への回転量が負の値となるものとする。
回転アンバランストルク推定値(-Tru)の符号は、ハンドル角度推定値θswによって、ドライバトルクTdの方向と同じになる場合と反対になる場合とがある。したがって、回転アンバランストルク補償値Truの符号は、ハンドル角度推定値θswによって、ドライバトルクTdの方向と同じになる場合と反対になる場合とがある。
[ハンドル角度推定値θswの演算方法]
この実施形態では、ハンドル角度推定値θswは、次式(2)によって表される。
ktb:トーションバー10の剛性
θww:第2軸9の回転角度(第2軸回転角)
第2軸回転角θwwは、次式(3.1)に基づいて演算される。
θww=(θm/rwg)+(Tm/kgear) …(3.1)
θm:電動モータ18の回転角(この実施形態では、回転角センサ23によって検出されるロータ回転角)
Tm:モータトルク推定値
kgear:ウォームギヤとウォームホイール間の剛性
モータトルク推定値Tmは、例えば、電流検出部39(図2参照)によって検出されるモータ電流に電動モータ18のトルク定数を乗算することによって演算することができる。
θww=θm/rwg …(3.2)
式(3.1)からわかるように、kgearが大きい場合には(Tm/kgear)の値は小さな値となるが、kgearが小さい場合には(Tm/kgear)の値は大きな値となる。したがって、kgearが大きい場合には、式(3.2)に基づいて第2軸回転角θwwを演算してもよいが、kgearが小さい場合には、式(3.1)に基づいて第2軸回転角θwwを演算することが好ましい。
[粘性摩擦トルク補償値Tcの演算方法]
粘性摩擦トルク推定値(-Tc)は、第1軸8およびハンドル2に作用する粘性摩擦トルクの推定値である。粘性摩擦トルクは、第1軸8を支持する軸受やハンドル2に接続されるスパイラルケーブル33等の摺動に起因して発生する。
-Tc=-Gc・dθsw/dt …(4-1)
Gc:粘性摩擦トルク係数
dθsw/dt:ハンドル角速度推定値(θswの1階微分値)
したがって、粘性摩擦トルク補償値Tcは、次式(4-2)に基づいて演算される。
粘性摩擦トルク係数Gcは、次のようにして求めることができる。手放し状態で、電動モータ18を駆動し、ハンドル角速度推定値dθsw/dtをパラメータとして定常状態におけるトーションバートルクTtbを測定する。定常状態とは、ハンドル2に回転角加速度が発生していない状態、つまり、ハンドル角加速度推定値d2θsw/dt2が0である状態をいう。そして、ハンドル角速度推定値dθsw/dtに対するトーションバートルクTtbの変化率(勾配)を粘性摩擦トルク係数Gcとして求める。この際、ハンドル角速度推定値dθsw/dtとトーションバートルクTtbとの関係が線形でない場合には、それらの関係を任意の多項式にて近似してもよい。
[回転アンバランストルク補償値Truの演算方法]
回転アンバランストルク推定値(-Tru)について説明する。図5Aに示すように、ハンドル2の回転平面における重心位置Gと、回転中心C(ハンドル2の回転平面と第1軸8の中心軸線との交点)とは一致しない。ハンドル2の回転平面における重心位置Gと回転中心位置Cとの間の距離をオフセット距離dcgということにする。また、ハンドル2の質量をmとし、重力加速度をgcgとする。さらに、図5Bに示すように、ハンドル2が車両に搭載された状態で、ハンドル2の回転中心位置Cを通る鉛直線がハンドル2の回転平面となす角をハンドル傾き角δとする。
-Tru=-Ggr・sin(θsw) …(5-1)
Ggrは、重力トルク係数であり、ハンドル2の質量mと重力加速度gcgとオフセット距離dcgとハンドル傾き角δの余弦値cos(δ)との積m・gcg・dcg・cos(δ)に応じた値である。sin(θsw)は、ハンドル角度推定値θswの正弦値である。
Tru=Ggr・sin(θsw) …(5-2)
オフセット距離dcg、ハンドル2の質量mおよびハンドル傾き角δがわかっている場合には、重力トルク係数Ggrは、Ggr=m・dcg・gcg・cos(δ)の式から求めることができる。
ハンドル角度推定値θswと回転アンバランストルク補償値Truとの関係の一例を図6に示す。ハンドル2の重心に作用する重力m・gcgは、鉛直方向の力であるため、回転アンバランストルク補償値Truの絶対値は、ハンドル角度推定値θswが±90[deg]のときと、±270[deg]のときとに最大となり、これらの位置から±180[deg]毎ずれた角度位置でも最大となる。
[クーロン摩擦トルク補償値Tfrの演算方法]
クーロン摩擦トルク推定値(-Tfr)は、第1軸8およびハンドル2に作用するクーロン摩擦トルクの推定値である。クーロン摩擦トルクは、第1軸8を支持する軸受やハンドル2に接続されるスパイラルケーブル33等で発生する。
(-Tfr)=-Gf・tanh(η・dθsw/dt) …(6-1)
Gf:クーロン摩擦トルク係数
η:クーロン摩擦トルク変化勾配
したがって、クーロン摩擦トルク補償値Tfrは、次式(6-2)に基づいて演算される。
クーロン摩擦トルク係数Gfrは、次のようにして求めることができる。手放し状態で、電動モータ18により第2軸9に付与されるモータトルクを徐々に大きくし、ハンドル角速度推定値dθsw/dtの絶対値がゼロよりも大きくなった時点、即ち、ハンドル2が動き始めた時点でのトーションバートルクTtbの絶対値をクーロン摩擦トルク係数Gfとして求める。クーロン摩擦トルク変化勾配ηについては、チューニングによって決定する。
[スパイラルケーブルトルク補償値Tscの演算方法]
スパイラルケーブルトルク推定値(-Tsc)は、スパイラルケーブル33のばね特性によってハンドル2に作用するトルクである。
(-Tsc)=-ksc・θsw …(7-1)
ksc:スパイラルケーブル33のばね定数
したがって、スパイラルケーブルトルク補償値Tscは、次式(7-2)に基づいて演算される。
なお、ハンドル角度推定値θswとスパイラルケーブルトルク補償値Tscとの関係を表すマップを予め作成し、このマップに基づいてスパイラルケーブルトルク補償値Tscを演算するようにしてもよい。
図9は、ドライバトルク推定部51の構成を示すブロック図である。
第3乗算部68は、第1微分演算部65によって演算されたハンドル角速度推定値dθsw/dtに、粘性摩擦トルク係数Gcを乗算することにより、粘性摩擦トルク補償値Tcを演算する(前記式(4-2)参照)。
第2加算部74は、トルクセンサ11によって検出されるトーションバートルクTtbに、第2、第3、第4、第5および第6乗算部67、68、70、72および73それぞれによって演算されたJsw・d2θsw/dt2、Tc、Tfr、TruおよびTscを加算することにより、ドライバトルク(推定値)Tdを演算する。
ハンズオン/オフ判定部53の動作説明においては、ローパスフィルタ52によるローパスフィルタ処理後のドライバトルクTdを、単に「ドライバトルクTd’」ということにする。
ハンズオン/オフ判定部53は、ドライバのハンドル操作状態として、「閾値より上のハンズオン状態(ST1)」と、「閾値以下のハンズオン状態(ST2)」と、「閾値以下のハンズオフ状態(ST3)」と、「閾値より上のハンズオフ状態(ST4)」との4状態を識別する。ハンズオン/オフ判定部53は、所定時間T[sec]毎にこれら4状態の識別を行う。
この実施形態では、ドライバトルク推定部51によって高精度にドライバトルクTdが推定される。そして、推定されたドライバトルクTdの高周波数成分が除去される。この高周波数成分除去後のドライバトルクTd’に基づき、トルク閾値αとタイムカウンタ値hod_timerとを用いてハンズオン/オフ判定が行われる。このため、運転者がハンドルを握っているハンズオン状態であるか運転者がハンドルを握っていないハンズオフ状態であるかを高精度に判定できる。
以上、この発明の実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、ドライバトルク推定部51は、前記式(1)に基づいて、ドライバトルクTdを演算しているが、ドライバトルク推定部51は、次式(8)、(9)、(10)または(11)に基づいて、ドライバトルクTdを演算してもよい。
Td=Jsw・d2θsw/dt2+Ttb+Tru+Tsc …(9)
Td=Jsw・d2θsw/dt2+Ttb+Tru+Tfr+Tsc …(10)
Td=Jsw・d2θsw/dt2+Ttb+Tc+Tru+Tsc …(11)
また、前述の実施形態では、トーションバートルクTtbおよび第2軸回転角θwwを用いて演算されたハンドル角度推定値θswをハンドル2の回転角としてドライバトルクTdを演算しているが、第2軸回転角θwwをハンドル角度推定値θswとしてドライバトルクTdを演算してもよい。
また、前述の実施形態では、ハンドル操作状態判定部42(図3参照)内のローパスフィルタ52は、ドライバトルク推定部51の後段に設けられているが、ドライバトルク推定部51の前段に設けるようにしてもよい。また、ローパスフィルタ52を省略してもよい。
また、前述の実施形態では、この発明をコラムアシスト式EPSに適用した場合の例を示したが、この発明は、デュアルピニオン式EPS、ラックアシスト式EPS等のコラムアシスト式EPS以外のEPSにも適用することができる。
Claims (9)
- 車両を操舵するためのハンドルと、
前記ハンドルと一体的に回転される回転軸の中間部に設けられたトーションバーと、
一端が前記回転軸と同行回転する部材に接続され、他端が車体に対し静止する部材に接続されたスパイラルケーブルと、
前記トーションバーに加えられているトーションバートルクを検出するためのトルク検出手段と、
運転者によって前記ハンドルに加えられるドライバトルクを推定するドライバトルク推定手段とを含み、
前記ドライバトルク推定手段は、
前記ハンドルの回転角を演算するハンドル回転角演算手段と、
前記トーションバートルクと、前記ハンドル回転角の2階微分値とハンドル慣性モーメントとの積であるハンドル慣性トルク補償値と、前記スパイラルケーブルによって前記ハンドルに作用するスパイラルケーブルトルクの補償値とを加算した加算値を含む値を、ドライバトルクとして演算するドライバトルク演算手段とを含む、操舵装置。 - 前記ハンドルの回転に連動して転舵輪を転舵する転舵機構と、
前記転舵機構に操舵補助力を付与するための電動モータと、
前記電動モータの回転角に基づいて、前記回転軸における前記トーションバーよりも下流側部分の回転角を演算するための回転角演算手段をさらに含み、
前記ハンドル回転角演算手段は、前記回転軸における前記下流側部分の回転角および前記トーションバートルクを用いて前記ハンドルの回転角を演算するように構成されている、請求項1に記載の操舵装置。 - 前記ハンドルの回転角を検出するための回転角検出手段をさらに含み、
前記ハンドル回転角演算手段は、前記回転角検出手段によって検出される回転角に基づいて前記ハンドルの回転角を演算するように構成されている、請求項1に記載の操舵装置。 - 前記ドライバトルク演算手段は、前記加算値に、前記ハンドルの重心に作用する重力によって前記回転軸に与えられる回転アンバランストルクの補償値を加算して前記ドライバトルクを演算するように構成されている、請求項1~3のいずれか一項に記載の操舵装置である。
- 前記ドライバトルク演算手段は、前記加算値に、前記回転軸における前記トーションバーよりも上流側部分および前記ハンドルに作用する粘性摩擦トルクの補償値を加算して前記ドライバトルクを演算するように構成されており、
前記粘性摩擦トルクの補償値は、前記ハンドル回転角の1階微分値と所定の粘性摩擦トルク係数との積である、請求項1~4のいずれか一項に記載の操舵装置。 - 前記ドライバトルク演算手段は、前記加算値に、前記回転軸における前記上流側部分および前記ハンドルに作用するクーロン摩擦トルクの補償値を加算して前記ドライバトルクを演算するように構成されており、
前記クーロン摩擦トルクの補償値は、所定のクーロン摩擦トルク変化勾配と前記ハンドル回転角の1階微分値との積の双曲線正接値と、所定のクーロン摩擦トルク係数との積である、請求項1~5のいずれか一項に記載の操舵装置。 - 前記スパイラルケーブルトルクの補償値は、前記スパイラルケーブルのばね定数と前記ハンドル回転角との積または前記ハンドル回転角に対する前記スパイラルケーブルトルクの補償値を表すマップデータから求められる、請求項1~6のいずれか一項に記載の操舵装置。
- 前記ハンドルが車両に搭載された状態で、前記ハンドルの回転中心位置を通る鉛直線が前記ハンドルの回転平面となす角をハンドル傾き角とし、
前記ハンドル回転角は、車両の向きが直進方向となるハンドル位置を中立位置として、中立位置からの回転量および回転方向に応じた角度であり、
前記回転アンバランストルクの補償値は、前記ハンドルの重心位置と回転中心位置との間の距離と、前記ハンドルの質量と、前記ハンドル回転角の正弦値と、前記ハンドル傾き角の余弦値との積である、請求項4に記載の操舵装置。 - 前記ドライバトルク推定手段によって推定されたドライバトルクに基づいて、ハンズオン状態であるかハンズオフ状態であるかを判定するハンズオン/オフ判定手段をさらに含む、請求項1~8のいずれか一項に記載の操舵装置。
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