JP2006117205A

JP2006117205A - 電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP2006117205A
Application number: JP2004310044A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Oya; 敏明應矢
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2004-10-25
Filing date: 2004-10-25
Publication date: 2006-05-11

Abstract

【課題】車輪の特性変化に応じてモータの回転駆動を制御するための駆動特性を更新することができ、車輪に異常がある場合には運転者へ報知することができる電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】トルクセンサ５２が検出した操舵トルク信号Ｔｓ及び車速センサ５４が検出した車速Ｖｓに応じてモータ５１を駆動するための電流値が記してある駆動特性テーブルを、マイクロコンピュータ７０内のメモリ７４に備え、回転角検出器５５が検出するモータの回転角に応じた回転角信号を周波数スペクトルに変換し、周波数スペクトルから車輪の特性を解析し、解析結果に応じて駆動特性テーブルの値を更新する。また、車両停止時に擬似的な操舵トルク信号によるモータの回転を解析して電流値の更新を行う。車輪の特性変化が許容範囲を越えた場合は、報知器５３を駆動して運転者へ異常を報知する。
【選択図】図２

Description

本発明は、操舵部材に加えられた操舵トルクに応じてモータを駆動し、車両を操舵するための操舵補助力を発生させる電動パワーステアリング装置に関する。

運転者が行うステアリングホイールの操作に応じて、車両を操舵するために必要な力をモータにより補助する電動パワーステアリング装置が実用化されている。電動パワーステアリング装置では、運転者が行うステアリングホイールの操作により加えられた操舵トルクを検出するトルクセンサと、操舵を補助するための操舵補助力を発生する電動モータとを備えており、トルクセンサによって検出された操舵トルクに応じて、モータを回転させるための電流又は電圧を制御し、モータを回転させて操舵補助力を発生させることで、運転者の負担を軽減している。

このような電動パワーステアリング装置においては、ステアリングホイールの操舵と車輪の操向動作との間にモータの補助動作が介在するため、車両の走行路面と車輪との間の状態が運転者に伝わりにくく、車輪の磨耗及び空気圧の低下等の車輪の特性変化が発生しても、運転者が車輪の特性変化を認識しにくいという問題があった。

この問題を解決するために、トルクセンサが検出した操舵トルクに応じたトルク信号を周波数スペクトルに変換するフーリエ変換手段と、フーリエ変換手段により得られた周波数スペクトルの特定周波数成分から車輪の異常の有無を判定する判定手段とを有し、車両走行時に車輪の異常が検出された場合には、モータによって発生する操舵補助力を小さくしたり、又はランプの点灯及び音声発生装置からの音声等により運転者に車輪の異常を報知する電動パワーステアリング装置が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００４−１６１０７３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された電動パワーステアリング装置においては、車輪に異常があると判断された場合にのみ、操舵補助力を小さくし、又は運転者へ報知するようになっており、異常に至る前の車輪の特性変化には対応できないという問題がある。車輪の空気圧の低下、磨耗による経年劣化及び車輪の交換等のような車輪の特性変化は、車両の操舵に与える影響が大きいため、車輪の特性変化をステアリング装置の制御特性に反映させることが望ましい。

また、車輪に異常があるか否かの判定を、運転者が行うステアリングホイールの操作による操舵トルクに応じたトルク信号の周波数成分を調べることで行う構成となっており、例えば、左右方向一方へ操舵を行うことが多い市街地での走行と、蛇行操舵が必要となる山道での走行とでは、車輪の異常を検出する精度に差が出る可能性がある。車輪に異常があるか否かの判定は一定の精度で行うことが望ましい。

また、車輪に異常があるか否かの判定を、車両走行時に行う構成となっているため、車速、前後加速度及び横加速度等の走行状況の影響を受けるという問題があり、車両を走行させなければ車輪の異常が検出できないという問題がある。安全上、車輪の異常は車両の走行開始前に判断できるよう構成することが望ましい。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、車輪の特性変化に応じてモータの回転駆動を制御するための駆動特性を更新することができ、また、駆動特性の更新を、走行開始前の車両停止時において、擬似的な操舵トルク信号に応じたモータの回転を解析して行うことにより、安全で、かつ、一定の精度で駆動特性の更新を行うことができ、また、車輪のない状態でモータを回転させた場合のモータの応答の特性を記憶しておき、車輪を含む全体の特性から記憶してある特性を差し引くことで、車輪のみの特性を簡単に取得することができ、更に、解析の結果、車輪に異常がある場合には運転者へ報知することが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。

本発明の第１発明に係る電動パワーステアリング装置は、操舵部材に加えられた操舵トルクを検出し、検出した操舵トルクに応じた操舵トルク信号を出力する操舵トルク検出手段と、操舵を補助する操舵補助力を発生するモータと、前記操舵トルク検出手段が出力した操舵トルク信号に応じて前記モータの回転駆動を制御するための駆動特性を記憶してある駆動特性記憶部とを備える電動パワーステアリング装置において、前記モータの回転角を検出し、前記モータの回転角に応じた回転角信号を出力する回転角検出手段と、前記回転角検出手段が検出し、出力した回転角信号の周波数成分から車輪の特性を解析する解析手段とを備え、前記解析手段が解析した車輪の特性に応じて、前記駆動特性記憶部に記憶された駆動特性を更新するようにしてあることを特徴とする。

また、本発明の第２発明に係る電動パワーステアリング装置は、擬似的な操舵トルク信号を発生する擬似信号発生手段を備え、前記擬似信号発生手段が発生した擬似的な操舵トルク信号に応じて前記モータを回転させ、前記モータの回転角に応じた回転角信号から前記解析手段で解析を行うようにしてあることを特徴とする。

また、本発明の第３発明に係る電動パワーステアリング装置は、前記解析手段が、前記回転角検出手段が出力した回転角信号を周波数スペクトルに変換する変換手段と、車輪がない状態で前記モータを回転させた場合に前記回転角検出手段が出力する回転角信号に応じた周波数スペクトルを記憶してある周波数スペクトル記憶部と、前記変換手段が変換した周波数スペクトルと前記周波数スペクトル記憶部に記憶してある周波数スペクトルとの差分から、車輪のみの特性を示す周波数スペクトルを算出する演算手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明の第４発明に係る電動パワーステアリング装置は、前記解析手段の解析結果から車輪の異常を検出する異常検出手段と、前記異常検出手段が異常を検出した場合に異常を報知する報知手段とを備えることを特徴とする。

第１発明においては、回転角検出手段が出力するモータの回転角信号を周波数スペクトルに変換し、得られた周波数スペクトルから、車輪の空気圧の低下、磨耗による経年劣化及び車輪の交換等の車輪の特性変化を解析し、例えば操舵トルクに応じた電流値を記憶してあるルックアップテーブル、もしくは操舵トルクから電流値を算出するための演算式等の、モータの駆動を制御するための駆動特性を、車輪の特性の変化に応じて更新し、モータが変化後の車輪の特性に適した操舵補助力を発生させることで、車輪の特性変化が車両の操舵に与える影響を低減することができる。

また、第２発明においては、モータの回転駆動を制御するための駆動特性の更新を、走行開始前の車両停止時において、擬似的な操舵トルク信号に応じたモータの回転を解析して行うことで、一定の精度で駆動特性の更新を行うことができ、また、車両の走行開始前に車輪の異常を判断できるため、車両を運転するときの安全性を高めることができる。

また、第３発明においては、車輪がない状態でモータを回転させた場合のモータの応答を示す周波数スペクトルを記憶しておき、回転角検出手段から得られた回転角信号を変換して得られる周波数スペクトルから、記憶してある周波数スペクトルを差し引くことで、車輪のみの特性を示す周波数スペクトルを簡単に取得し、解析することができる。

また、第４発明においては、車輪の特性を解析した結果、車輪に異常がある場合には、運転者へ報知することで、車輪の空気圧の調整又は車輪の交換等を促し、車両を運転するときの安全性を高めることができる。

以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。図１は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の全体構成を示す模式図である。

図において１は、ラックピニオン式のステアリング装置であり、車体の左右方向に延設された筒型のラックハウジング９の内部に軸長方向へ移動自在に支持されたラック軸１０を備えている。ラックハウジング９の両側から突出するラック軸１０の両端部には、タイロッド１１、１１が連結してあり、タイロッド１１、１１のラック軸１０との連結部の逆側端部は、各別のナックルアーム１２、１２を介して操舵用の車輪１３、１３が接続してある。ラック軸１０が軸長方向へ移動することにより、タイロッド１１、１１を介してナックルアーム１２、１２が押し引きされ、車輪１３、１３を左右に操向する構成となっている。

ラックハウジング９は、操舵補助用のモータ５１を収納するため、中途部を適長にわたって拡径してある。モータ５１は、ラックハウジング９の内周部に固定してあるステータと、ステータの内側にてラック軸１０と同軸的に回転自在となるよう支持された筒形のロータとを有するブラシレスモータである。ロータに連結してあるボールナット及びラック軸１０に形成してあるねじ軌条からなるボールねじ機構により、モータ５１の回転がラック軸１０の軸長方向への移動に変換され、操舵を補助する構成としてある。

ラックハウジング９の一側端部近傍には、ラックハウジング９と交叉して円筒形をなすピニオンハウジング８が連設してあり、ピニオンハウジング８の内部には、軸心回りでの回動自在にピニオン軸７が支持してある。ピニオン軸７の下部には、図示しないピニオンが一体形成され、ラックハウジング９との交叉部において、ラック軸１０の該当部位に形成された図示しないラック歯に噛合してある。

ピニオンハウジング８の上部から突出するピニオン軸７の上端部には、中間軸６を介してコラム軸４が連結されている。コラム軸４の中間軸６との連結部の逆側端部にはステアリングホイール２（操舵部材）が固定され、図示しない車室の内部にて運転者に対面するようにしてある。コラム軸４は、車体の適宜部位に固定されて支持されるコラムハウジング５の内部に、軸回りでの回動自在に支持されている。コラムハウジング５の上部にはステアリングホイール２に加えられた操舵トルクを検知し、操舵トルクに応じた操舵トルク信号を出力するトルクセンサ５２が配設されている。

トルクセンサ５２によって出力された操舵トルク信号Ｔｓは、モータ５１の回転駆動を制御する制御部５０に与えられ、また、車速センサ５４によって検知される車両の車速Ｖｓが制御部５０に与えられている。モータ５１には、モータ５１の回転角を検知する回転角検出器５５が備えてあり、回転角検出器５５は、モータ５１のロータの基準位置からの回転角度を検出し、検出した回転角度に応じた回転角信号Ｒｓを制御部５０へ与えている。また、車両の運転席近傍には、後述する車輪１３、１３の特性を解析する処理を起動するための起動スイッチ５６が設けてあり、起動スイッチ５６は制御部５０に接続してある。更に、制御部５０には、電動パワーステアリング装置に異常が発生した場合に、運転者に対して警告音で異常の発生を報知するための報知器５３が接続してある。

図２は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の要部構成を示すブロック図である。制御部５０は、マイクロコンピュータ７０、モータ駆動回路７１、モータ電流検出回路７２及び報知器駆動回路７３を備えている。マイクロコンピュータ７０には、トルクセンサ５２が出力する操舵トルク信号Ｔｓ、車速センサ５４が検出する車速Ｖｓ、回転角検出器５５が出力する回転角信号Ｒｓ及びモータ電流検出回路７２が検出するモータに流れる電流値Ｉｓが与えられ、また、運転者が起動スイッチ５６を押すことで、後述する車輪１３、１３の特性解析処理の起動命令が与えられる構成となっている。また、マイクロコンピュータ７０は、モータ駆動回路７１にモータ５１へ印加すべき目標電圧値Ｖｄを与え、報知器駆動回路７３には報知器５３を駆動する報知命令Ｓｄを与える。

マイクロコンピュータ７０に備えられた書き換え可能なメモリ７４には、操舵トルク信号Ｔｓ及び車速Ｖｓに応じた目標電流値が記された駆動特性テーブルが記憶してあり、駆動特性テーブルを参照してモータ５１に流す目標電流値を決定する。また、モータ５１の回転方向は、駆動特性テーブルに記してある目標電流値の極性から、例えばプラスなら右方向、マイナスなら左方向のように、決定することができる。

マイクロコンピュータ７０は操舵トルク信号Ｔｓ及び車速Ｖｓから駆動特性テーブルを参照して目標電流値を決定し、目標電流値及びフィードバックされた電流値Ｉｓからモータ５１に印加する目標電圧値Ｖｄを算出する。また、マイクロコンピュータ７０は擬似的な操舵トルク信号を発生させ、擬似的な操舵トルク信号から目標電流値を決定し、目標電圧値Ｖｄを算出し、モータ駆動回路７１へ与えることができる。擬似的な操舵トルク信号として、所定の範囲内で周波数を連続的に変える正弦波信号又は矩形波信号を発生する。多数の周波数を有する信号を発生させて電動パワーステアリング装置を動作させることで、運転者の操舵のみでは行われない多種多様な動作を車輪１３、１３に行わせることができる。

モータ駆動回路７１には、マイクロコンピュータ７０から、モータ５１へ印加すべき目標電圧値Ｖｄが与えられ、また、回転角検出器５５からモータ５１の実回転角に応じた回転角信号Ｒｓが与えられている。モータ駆動回路７１は、ブラシレスのモータ５１のコイルに流す電流の方向を決定するための、複数の半導体素子によるスイッチング素子を備えており、スイッチング素子の切り替えタイミングを回転角検出器５５から与えられた回転角信号Ｒｓにより決定している。更に、モータ駆動回路７１は、目標電圧値Ｖｄに応じたＰＷＭ信号を生成する回路を備えており、スイッチング素子をＰＷＭ信号によりオン／オフしてコイルに電流を流し、モータ５１を駆動している。モータ電流検出回路７２は、モータ５１に流れている電流を検出し、検出した電流値Ｉｓをフィードバック信号としてマイクロコンピュータ７０へ与えている。車輪１３、１３の特性解析の結果、特性の変化が許容範囲を越えていた場合にマイクロコンピュータ７０が出力する報知命令Ｓｄに従って、報知器駆動回路７３は報知器５３を駆動し、報知器５３が警告音を発する。

以上のように構成された電動パワーステアリング装置において、車両走行時には、運転者がステアリングホイール２に加えた操舵トルクに応じた操舵トルク信号Ｔｓをトルクセンサ５２が出力し、このときの車速Ｖｓを車速センサ５４が検出し、操舵トルク信号Ｔｓ及び車速Ｖｓに応じて、マイクロコンピュータ７０はメモリ７４に記憶してある駆動特性テーブルを参照し、モータ５１に流す目標電流値を決定する。決定された目標電流値及びモータ５１に流れている実電流値Ｉｓから、マイクロコンピュータ７０が目標電圧値Ｖｄを算出する。モータ駆動回路７１は、目標電圧値Ｖｄに応じたＰＷＭ信号を生成し、モータ５１の実回転角に応じた回転角信号Ｒｓから決まるスイッチング素子の切り替えタイミングに従って、ＰＷＭ信号によりスイッチング素子をオン／オフし、コイルに電流を流してモータ５１を回転駆動する。

モータ５１の回転は、ボールねじ機構によりラック軸１０の軸長方向への移動に変換され、車輪１３、１３の操向動作を補助している。ラック軸１０の移動が、タイロッド１１、１１を介してナックルアーム１２、１２に伝えられ、車輪１３、１３の向きが変わり、車両の走行方向が変更される。

車両停止時において、運転者が起動スイッチ５６を押した場合、車輪１３、１３の特性を解析する処理が開始される。この処理が行われている間は、運転者がステアリングホイール２に加えた操舵トルクに応じてモータ５１が操舵補助力を発生させることはない。

図３は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の車輪１３、１３の特性解析処理におけるマイクロコンピュータ７０の制御手順の概要を示すフローチャートである。マイクロコンピュータ７０は、起動スイッチ５６が押されたか否かを判断し（ステップＳ１）、押されていないと判断した場合は（Ｓ１：ＮＯ）、スイッチが押されるまで待機し、押されたと判断した場合は（Ｓ１：ＹＥＳ）、更に車速センサ５４が検出する車両の車速Ｖｓが０ｋｍ／ｈであるか否かを判断する（ステップＳ２）。車速Ｖｓが０ｋｍ／ｈでない場合（Ｓ２：ＮＯ）、ステップＳ１に戻り、スイッチが押されるまで待機する。車速Ｖｓが０ｋｍ／ｈである場合は（Ｓ２：ＹＥＳ）、擬似的な操舵トルク信号を発生し（ステップＳ３）、次に、モータ電流検出回路７２からフィードバックされる電流値Ｉｓを取得する（ステップＳ４）。擬似的な操舵トルク信号及びフィードバックされる電流値Ｉｓから目標電圧値Ｖｄを算出し、モータ駆動回路７１へ出力する（ステップＳ５）。

モータ駆動回路７１へ目標電圧値Ｖｄを与えることでモータ５１は回転し、モータ５１の回転はボールねじ機構を介してラック軸１０の軸長方向の運動に変換され、車輪１３、１３の向きが変わる。回転角検出器５５は、このときのモータ５１の回転角を検出し、回転角に応じた回転角信号Ｒｓを出力する。

マイクロコンピュータ７０は、回転角検出器５５から与えられる回転角信号Ｒｓを取得し（ステップＳ６）、メモリ７４に記憶する。所定個数の回転角信号Ｒｓを取得しているか否かを判断し（ステップＳ７）、メモリ７４に記憶してある回転角信号Ｒｓのデータ数が所定個数に達していない場合は（Ｓ７：ＮＯ）、ステップＳ３へ戻り、データ数が所定個数に達するまでデータ収集を繰り返す。回転角信号Ｒｓのデータ数が所定個数に達している場合（Ｓ７：ＹＥＳ）、時系列データをなすこれらのデータに対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）を行い（ステップＳ８）、時系列データを周波数スペクトルのデータに変換する。

メモリ７４には、電動パワーステアリング装置の特性を予め測定して得られた周波数スペクトルのデータが記憶してある。なお、メモリ７４に記憶してある特性は、車輪１３、１３を除いた状態で電動パワーステアリング装置を動作させた場合の特性であり、モータ５１の回転特性、ラック軸１０の軸長方向への移動特性及びナックルアーム１２、１２の動作特性等の電動パワーステアリング装置の各部の特性を含んだものである。メモリ７４に記憶してある周波数スペクトルを読み出し（ステップＳ９）、ステップＳ８で得た全体の特性を示す周波数スペクトルから、メモリ７４に記憶してある周波数スペクトルを差し引くことで、車輪１３、１３のみの特性を示す周波数スペクトルを算出する（ステップＳ１０）。

また、メモリ７４には、車輪１３、１３に異常があるか否かを判定するための閾値として、予め定められたスペクトル強度が記憶してあり、この閾値とステップＳ１０にて算出した車輪１３、１３の特性を示す周波数スペクトルとを比較して、車輪１３、１３に異常があるか否かを判定する（ステップＳ１１）。車輪１３、１３の特性に異常がないと判定した場合は（Ｓ１１：ＮＯ）、算出した周波数スペクトルのスペクトル強度に応じて、駆動特性テーブルに記してある目標電流値を更新する。（ステップＳ１２）。

例えば、車輪１３、１３の空気圧が減少して操向動作が行いにくくなっている場合には、モータ５１が発生する操舵補助力が大きくなるよう、目標電流値を大きな値に更新する。運転者が運転を開始した場合には、更新した駆動特性テーブルを参照してモータ５１の制御を行うため、空気圧が減少した車輪１３、１３に適した操向動作を行うことができる。

車輪１３、１３の特性に異常があると判定した場合は（Ｓ１１：ＹＥＳ）、報知器駆動回路７３へ報知命令を送出する（ステップＳ１３）。報知器駆動回路７３へ報知命令Ｓｄを与えることで、報知器５３は警告音によって運転者に車輪１３、１３に異常があることを報知することができる。車輪１３、１３の異常を報知された運転者は、車両を走行させる前に、車輪の空気圧の調整又は車輪の交換等の処置を行うことで、車両を安全に走行させることが出来る。

なお、本実施の形態においては、メモリ７４に記憶してある駆動特性テーブルに目標電流値を記す構成としたが、目標電圧値を記す構成であってもよい。また、テーブルを用いる方法ではなく、駆動電流又は駆動電圧を算出するための演算式を駆動特性記憶部が記憶しておき、演算式の係数を更新する方法であってもよい。

また、車輪１３、１３の特性解析処理の起動を、起動スイッチ５６にて行う構成としたが、これに限るものではなく、例えば、車両のエンジン始動時に、毎回又は一定の期間をおいて、行う構成としてもよい。また、擬似的な操舵トルク信号として、所定の範囲内で周波数を連続的に変える正弦波信号又は矩形波信号を発生する構成としたが、車輪１３、１３の特性変化を十分に検知できるものであれば、これに限るものではない。また、ＦＦＴにより得られる周波数スペクトルから車輪１３、１３の特性を解析する構成としたが、他の解析手法を用いる構成であってもよい。

また、車輪１３、１３に異常がある場合に、報知器５３が警告音によって運転者に異常を報知する構成としたが、これに限るものではなく、音声、警告ランプ又は文字表示等によって報知してもよい。

本発明に係る電動パワーステアリング装置の全体構成を示す模式図である。本発明に係る電動パワーステアリング装置の要部構成を示すブロック図である。本発明に係る電動パワーステアリング装置の車輪の特性解析処理におけるマイクロコンピュータの制御手順の概要を示すフローチャートである。

符号の説明

１ラックピニオン式ステアリング装置
２ステアリングホイール（操舵部材）
４コラム軸
１３車輪
５０制御部
５１モータ
５２トルクセンサ
５３報知器
５４車速センサ
５５回転角検出器（回転角検出手段）
５６起動スイッチ
７０マイクロコンピュータ
７４メモリ

Claims

操舵部材に加えられた操舵トルクを検出し、検出した操舵トルクに応じた操舵トルク信号を出力する操舵トルク検出手段と、
操舵を補助する操舵補助力を発生するモータと、
前記操舵トルク検出手段が出力した操舵トルク信号に応じて前記モータの回転駆動を制御するための駆動特性を記憶してある駆動特性記憶部と
を備える電動パワーステアリング装置において、
前記モータの回転角を検出し、前記モータの回転角に応じた回転角信号を出力する回転角検出手段と、
前記回転角検出手段が検出し、出力した回転角信号の周波数成分から車輪の特性を解析する解析手段と
を備え、
前記解析手段が解析した車輪の特性に応じて、前記駆動特性記憶部に記憶された駆動特性を更新するようにしてあること
を特徴とする電動パワーステアリング装置。
擬似的な操舵トルク信号を発生する擬似信号発生手段を備え、
前記擬似信号発生手段が発生した擬似的な操舵トルク信号に応じて前記モータを回転させ、前記モータの回転角に応じた回転角信号から前記解析手段で解析を行うようにしてある請求項１に記載の電動パワーステアリング装置
前記解析手段は、
前記回転角検出手段が出力した回転角信号を周波数スペクトルに変換する変換手段と、
車輪がない状態で前記モータを回転させた場合に前記回転角検出手段が出力する回転角信号に応じた周波数スペクトルを記憶してある周波数スペクトル記憶部と、
前記変換手段が変換した周波数スペクトルと前記周波数スペクトル記憶部に記憶してある周波数スペクトルとの差分から、車輪のみの特性を示す周波数スペクトルを算出する演算手段と
を備える請求項１又は請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。
前記解析手段の解析結果から車輪の異常を検出する異常検出手段と、
前記異常検出手段が異常を検出した場合に異常を報知する報知手段と
を備える請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の電動パワーステアリング装置。