JP2006131074A - 電動ステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ステアリングの収斂性に優れ且つ戻り速度が速い電動ステアリング装置を提供する。
【解決手段】 ステアリング系に入力される操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ３０と、前記ステアリング系の操舵角度を検出する操舵角度算出部６３と、前記ステアリング系の操舵速度を検出する回転速度算出部６１と、回転速度算出部６１で検出した操舵速度に基づいて前記ステアリング系にダンピングを付与する基本ダンパ補償電流算出部６２と、を備え、操舵トルクセンサ３０で検出した操舵トルクに基づいてモータ１１を駆動して転舵輪を転舵する電動ステアリング装置において、操舵角度算出部６３で検出された操舵角度に応じて基本ダンパ補償電流算出部６２のダンパゲインを変更するダンパレシオ算出部６４を備え、このダンパレシオ算出部６４は、操舵角度が小さくなるにしたがってダンパゲインを増大させる。
【選択図】 図２

Description

この発明は、電動ステアリング装置に関するものである。

車両用操舵装置として電動式パワーステアリング装置が知られている。電動式パワーステアリング装置は、ステアリングホイールに結合されたステアリングシャフトと転舵輪を転舵させる転舵機構とが機械的に連結されるとともに、操舵力を補助するためのモータが前記転舵機構に連係されて構成されており、一般に、ステアリングホイールに加えられる運転者の操舵入力（例えば、操舵トルク）が大きいほど操舵補助力が大きくなるように前記モータの駆動電流を制御している。
この電動ステアリング装置では、ステアリングホイールの操舵速度に応じてステアリングシャフトにダンピングを付与するように、前記モータの駆動電流を制御するものもある。
また、特許文献１には、ステアリングホイールと転舵機構とが機械的に分離された所謂ステア・バイ・ワイヤにおけるステアリングの戻り速度の制御技術が開示されている。
特開平１０−２６４８３３号公報

ところで、ステアリングシャフトにダンピングを付与する場合、従来は、操舵速度に応じてステアリングシャフトのダンピング制御量を決定しており、操舵速度が同じときには、操舵角が大きい場合も小さい場合も同じダンピング制御量に設定していた。そのため、ダンピング制御量を大きく設定すると、ステアリングの収斂性（ステアリング系が中立点に収束する性質）は良くなるがステアリングの戻りが遅くなり、一方、ダンピング制御量を小さく設定すると、ステアリングの戻りは速くなるが収斂性が悪化する。つまり、ステアリングの収斂性と戻り速さはトレードオフの関係にあり、両方を同時に満足させるのは困難であった。
なお、特許文献１に開示されている技術は、ステアリングの収斂性と戻り速さの両立を図るものではない。
そこで、この発明は、ステアリングの収斂性に優れ且つ戻り速度が速い電動ステアリング装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、ステアリング系に入力される操舵入力を検出する操舵入力検出手段（例えば、後述する実施例における操舵トルクセンサ３０）と、前記ステアリング系の操舵角度を検出する操舵角度検出手段（例えば、後述する実施例における操舵角度算出部６３）と、前記ステアリング系の操舵速度を検出する操舵速度検出手段（例えば、後述する実施例における回転速度算出部６１）と、前記操舵速度検出手段で検出した操舵速度に基づいて前記ステアリング系にダンピングを付与するダンパ手段（例えば、後述する実施例における基本ダンパ補償電流算出部６２）と、を備え、前記操舵入力検出手段で検出した操舵入力に基づいてモータ（例えば、後述する実施例におけるモータ１１）を駆動して転舵輪（例えば、後述する実施例における前輪１０）を転舵する電動ステアリング装置（例えば、後述する実施例における電動パワーステアリング装置１００）において、前記操舵角度検出手段で検出された操舵角度に応じて前記ダンパ手段のダンパゲインを変更するダンパゲイン変更手段（例えば、後述する実施例におけるダンパレシオ算出部６４）を備え、このダンパゲイン変更手段は、操舵角度が小さくなるにしたがってダンパゲインを増大させることを特徴とする。
このように構成することにより、操舵速度が同じ条件のときに操舵角度が小さいときと大きいときとを比較すると、操舵角度の小さいときのダンパゲインを、操舵角度の大きいときのダンパゲインよりも大きい値に設定することができる。

請求項２に係る発明は、ステアリング系に入力される操舵入力を検出する操舵入力検出手段（例えば、後述する実施例における操舵トルクセンサ３０）と、前記ステアリング系の操舵角度を検出する操舵角度検出手段（例えば、後述する実施例における操舵角度算出部６３）と、前記ステアリング系の操舵速度を検出する操舵速度検出手段（例えば、後述する実施例における回転速度算出部６１）と、前記操舵速度検出手段で検出した操舵速度に基づいて前記ステアリング系にダンピングを付与するダンパ手段（例えば、後述する実施例における基本ダンパ補償電流算出部６２）と、を備え、前記操舵入力検出手段で検出した操舵入力に基づいてモータ（例えば、後述する実施例におけるモータ１１）を駆動して転舵輪（例えば、後述する実施例における前輪１０）を転舵する電動ステアリング装置（例えば、後述する実施例における電動パワーステアリング装置１００）において、前記操舵角度検出手段で検出された操舵角度に応じて前記ダンパ手段のダンパゲインを変更するダンパゲイン変更手段（例えば、後述する実施例におけるダンパレシオ算出部６４）を備え、このダンパゲイン変更手段は、操舵角度が所定値以下のときのダンパゲイン変更率を、操舵角度が前記所定値より大きいときのダンパゲイン変更率よりも大きく設定することを特徴とする電動ステアリング装置。
このように構成することにより、操舵速度が同じ条件のときに操舵角度が小さいときと大きいときとを比較すると、操舵角度が前記所定値以下のときのダンパゲインを、操舵角度が前記所定値より大きいときのダンパゲインよりも大きい値に設定することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記モータはブラシレスモータであり、該ブラシレスモータのモータ位置検出手段（例えば、後述する実施例におけるレゾルバ１４）によって前記操舵角度を検出することを特徴とする。
このように構成することにより、操舵角度センサなどを用いなくても操舵角度を検出することが可能になる。

請求項１に係る発明によれば、操舵速度が同じ条件のときに操舵角度が小さいときと大きいときとを比較すると、操舵角度の小さいときのダンパゲインを、操舵角度の大きいときのダンパゲインよりも大きい値に設定することができるので、操舵角度が大きい領域（すなわち、中立点から遠いとき）ではステアリングの戻りを速くすることができ、操舵角度が小さくなっていくにしたがって（すなわち、中立点に近づくほど）ステアリングの収斂性が極めて良くなり、ステアリングの戻り速さとステアリングの収斂性を両立させることができる。

請求項２に係る発明によれば、操舵速度が同じ条件のときに操舵角度が所定値以下のときと所定値より大きいときとを比較すると、操舵角度が所定値以下のときのダンパゲインを、操舵角度が所定値より大きいときのダンパゲインよりも大きい値に設定することができるので、操舵角度が所定値より大きい領域（すなわち、中立点から遠いとき）ではステアリングの戻りを速くすることができ、操舵角度が所定値以下になると（すなわち、中立点に近づくと）ステアリングの収斂性が極めて良くなり、ステアリングの戻り速さとステアリングの収斂性を両立させることができる。

請求項３に係る発明によれば、操舵角度センサなどを用いなくても操舵角度を検出することができるので、部品点数を減少することができる。

以下、この発明に係る電動ステアリング装置の実施例を図１〜図５の図面を参照して説明する。
図１に示すように、車両用電動パワーステアリング装置（電動ステアリング装置）１００はステアリングホイール（操舵手段）２に連結されたステアリングシャフト１を備えている。
ステアリングシャフト１は、ステアリングホイール２に一体結合されたメインステアリングシャフト３と、ラック＆ピニオン機構のピニオン７が設けられたピニオン軸５とが、ユニバーサルジョイント４によって連結されて構成されている。
ピニオン軸５はその下部、中間部、上部を軸受６ａ，６ｂ，６ｃによって支持されており、ピニオン７はピニオン軸５の下端部に設けられている。ピニオン７は車幅方向に往復動し得るラック軸８のラック歯８ａに噛合し、ラック軸８の両端に設けられたラックエンド８ｂにそれぞれタイロッド９が連結され、タイロッド９に転舵輪としての前輪１０が連係されている。この構成により、ステアリングホイール２の操舵時に通常のラック＆ピニオン式の転舵操作が可能であり、前輪１０，１０を転舵させて車両の向きを変えることができる。ここで、ラック軸８、タイロッド９は転舵機構を構成する。

また、電動パワーステアリング装置１００は、ステアリングホイール２による操舵力を軽減するための操舵補助力を発生させるブラシレスモータ（以下、モータと略す）１１を備えており、モータ１１で発生したトルクは、減速装置１２によって倍力されてピニオン軸５に伝達される。なお、減速装置１２は、モータ１１の出力軸に設けられたウォームギヤ１２ａと、ピニオン軸５に設けられウォームギヤ１２ａに噛合するウォームホイールギヤ１２ｂとからなる。
モータ１１は、回転角を検出するためのレゾルバ（モータ位置検出手段）１４を備えており、レゾルバ１４はモータ１１の回転角に対応する電気信号をステアリング電子制御装置（ＥＣＵ）５０に出力する。

また、ピニオン軸５において中間部の軸受６ｂと上部の軸受６ｃとの間には、磁歪に起因する磁気特性の変化に基づいて操舵トルク（操舵入力）を検出する磁歪式の操舵トルクセンサ（操舵トルク検出手段、操舵入力検出手段）３０が配置されている。
操舵トルクセンサ３０は、ピニオン軸５の外周面に設けられた２つの磁歪膜３１，３２と、各磁歪膜３１，３２に対向配置された２つの検出コイル３３，３４と、各検出コイル３３，３４にそれぞれ接続された検出回路３５，３６を備え、検出回路３５，３６は、磁歪に起因して生じる各検出コイル３３，３４のインダクタンスの変化を電圧変化に変換してＥＣＵ５０に出力する。ＥＣＵ５０は各検出回路３５，３６の出力に基づいてステアリングシャフト１に作用する操舵トルクを算出する。
なお、ピニオン軸５、ラック８、モータ１１、減速装置１２はステアリングギヤボックス２０に収容されている。

また、車体の適所には車速を検出する車速センサ１５が取り付けられており、車速センサ１５は車速に対応した電気信号をＥＣＵ５０に出力する。
そして、ＥＣＵ５０は、レゾルバ１４、車速センサ１５、操舵トルクセンサ３０などからの入力信号を処理して得られる制御信号によりモータ１１に供給すべき目標電流を決定し、モータ１１に流れる電流が目標電流と一致するように制御（例えば、ＰＩＤ制御）を行うことにより、モータ１１の出力トルクを制御し、操舵補助力を制御する。

次に、図２の制御ブロック図を参照して、この実施例におけるモータ１１に対する電流制御を説明する。
ＥＣＵ５０は、ベース電流算出部５１、イナーシャ補償電流算出部５２、ダンパ補償電流算出部５３を備えている。
ベース電流算出部５１は、操舵トルクセンサ３０で検出された操舵トルクおよび車速センサ１５で検出された車速に基づき、ベース電流マップ（図示略）を参照して、操舵トルクと車速に応じたベース電流を算出する。この実施例のベース電流マップでは、操舵トルクが大きくなるにしたがってベース電流のゲインが大きくなるように設定されており、また、車速が高くなるにしたがってベース電流のゲインが小さく且つ不感帯が大きくなるように設定されている。これにより、車速の増大に応じてしっかりとした操舵トルクの手応え感を付与している。

また、操舵トルクセンサ３０で検出された操舵トルクはフィルタ５４において時間微分され、操舵トルクの時間微分値が算出される。
イナーシャ補償電流算出部５２は、フィルタ５４から出力される操舵トルクの時間微分値と車速センサ１５で検出された車速に基づき、イナーシャ補償電流マップ（図示略）を参照して、操舵トルクの時間微分値と車速に応じたイナーシャ補償電流を算出する。このイナーシャ補償電流は、モータ１１およびステアリングシステムの慣性モーメントを打ち消すためにモータ１１に流す電流である。この実施例のイナーシャ補償電流マップでは、車速が高くなるにしたがってイナーシャ補償電流のゲインが小さくなるように設定されている。

ダンパ補償電流算出部５３は、モータ１１の回転速度と車速とステアリングホイール２の操舵角度に基づいて、ダンパ補償電流を算出する。ダンパ補償電流はステアリング系にダンピングを付与して操舵補助力を減じる要素である。
ダンパ補償電流算出部５３におけるダンパ補償電流の算出について詳述する。ダンパ補償電流算出部５３は、回転速度算出部（操舵速度検出手段）６１、基本ダンパ補償電流算出部（ダンパ手段）６２、操舵角度算出部（操舵角度検出手段）６３、ダンパレシオ算出部（ダンパゲイン変更手段）６４を備えている。

レゾルバ１４で検出されたモータ１１の回転角は、回転速度算出部（操舵速度検出手段）６１において時間微分され、回転角の時間微分値すなわちモータ１１の回転速度が算出される。なお、この電動パワーステアリング装置１００ではモータ１１の出力軸とステアリングシャフト１が減速装置１２（ウォームギヤ１２ａとウォームホイールギヤ１２ｂ）によって接続されているので、ステアリングホイール２の操舵回転速度はモータ１１の回転速度に比例する。

基本ダンパ補償電流算出部６２では、回転速度算出部６１で算出されたモータ１１の回転速度と、車速センサ１５で検出された車速に基づき、図３に示す基本ダンパ補償電流テーブルを参照して、モータ１１の回転速度と車速に応じた基本ダンパ補償電流を算出する。図３に示す基本ダンパ補償電流テーブルでは、モータ１１の回転速度が大きくなるにしたがって基本ダンパ補償電流のゲインが連続的に大きくなるように設定されている。すなわち、操舵速度が大きくなるにしたがって基本ダンパ補償電流のダンパゲインが連続的に大きくなるようにされている。

また、この電動パワーステアリング装置１００ではモータ１１の出力軸とステアリングシャフト１が減速装置１２によって接続されており、ステアリングホイール２の回転角（操舵角度）はモータ１１の回転角に比例することから、操舵角度算出部６３では、レゾルバ１４で検出されたモータ１１の回転角に基づいてステアリングホイール２の操舵角度を算出する。

ダンパレシオ算出部６４では、操舵角度算出部６３で算出された操舵角度の絶対値に基づき、図４に示すダンパレシオテーブルを参照して、操舵角度の絶対値に応じたダンパレシオ（ダンパゲイン変更率）を算出する。図４に示すダンパレシオテーブルでは、操舵角度の絶対値がゼロ（すなわち、ステアリングホイール２の中立点）においてダンパレシオは最大値となり、操舵角度の絶対値が大きくなるにしたがって徐々に一次関数的にダンパレシオが減少していくように設定されている。換言すると、操舵角度が小さくなるにしたがってダンパレシオが徐々に増大するように設定されている。

ダンパ補償電流算出部５３は、基本ダンパ補償電流算出部６２で算出された基本ダンパ補償電流に、ダンパレシオ算出部６４で算出されたダンパレシオを乗じてダンパ補償電流を算出する。つまり、基本ダンパ補償電流にダンパレシオを乗じることにより、ダンパ補償電流のゲイン（ダンパゲイン）を変更する。
したがって、基本的には、車速が高いほど、また、モータの回転速度（操舵速度）が大きいほどダンパ補償電流は大きい値に設定されるが、操舵角度に応じて設定されるダンパレシオを乗じている結果、車速および操舵速度が同じ条件のときに操舵角度が小さいときと大きいときとを比較すると、操舵角度の小さいときのダンパ補償電流の方が、操舵角度の大きいときのダンパ補償電流よりも大きい値に設定されることとなる。

そして、ＥＣＵ５０は、ベース電流算出部５１で算出したベース電流と、イナーシャ補償電流算出部５２で算出したイナーシャ補償電流を加算し、ダンパ補償電流算出部５３で算出したダンパ補償電流を減算して目標電流を算出する。この目標電流は駆動回路５６に入力され、駆動回路５６においてモータ１１に流れる電流が前記目標電流と一致するように例えばＰＩＤ制御を行って、モータ１１の出力トルクを制御し、操舵補助力を制御する。

以上説明するように、この実施例では、基本的には、車速が高いほど、また、モータの回転速度（操舵速度）が大きいほどダンパ補償電流は大きい値に設定されるが、車速および操舵速度が同じ条件のときに操舵角度が小さいときと大きいときとを比較すると、操舵角度の小さいときのダンパ補償電流の方が、操舵角度の大きいときのダンパ補償電流よりも大きい値に設定される。
したがって、セルフアライニングトルクなどによってステアリング系が中立点に戻されるような場合に、操舵角度が大きい領域（すなわち、ステアリングホイール２が中立点から遠ざかっているとき）ではダンパ補償電流が小さく設定されるので、ステアリングの戻りが速い。そして、操舵角度が小さくなっていくにしたがって（すなわち、ステアリングホイール２が中立点に近づくほど）ダンパ補償電流が大きく設定されるので、ステアリングの収斂性が極めて良くなる。つまり、この電動パワーステアリング装置１００においては、ステアリングの戻り速さとステアリングの収斂性を両立させることができる。

なお、ダンパレシオテーブルは図４に示すものに限るものではなく、例えば、図５から図７に示すものでもよい。
図５に示すダンパレシオテーブルは、操舵角度の絶対値が小さくなるにしたがって徐々に二次関数的にダンパレシオが増大していくように設定された例である。
図６に示すダンパレシオテーブルは、操舵角度の絶対値が所定値以下ではダンパレシオが一定値に設定されており、操舵角度の絶対値が所定値よりも大きくなると、ダンパレシオが急激に減少し、その後、ダンパレシオの減少の程度が緩やかに設定された例である。
図７に示すダンパレシオテーブルは、操舵角度の絶対値が所定値を境にして、所定値以下の領域が所定値より大きい領域よりも、操舵角度の絶対値の減少に対するダンパレシオの増大率が大きく設定された例である。
図６および図７に示すダンパレシオテーブルは、操舵角度の絶対値が所定値以下のときのダンパレシオ（ダンパゲイン変更率）を、操舵角度の絶対値が前記所定値より大きいときのダンパレシオよりも大きく設定するダンパレシオテーブルの例である。

なお、前述した実施例では、モータ位置検出手段としてのレゾルバ１４の出力信号に基づいて操舵角度を検出したが、レゾルバ１４に代えてエンコーダを用いることもできる。また、ステアリングホイール２の回転角を検出する操舵角センサや、ラック軸８のストローク長を検出するラックストロークセンサにより操舵角度検出手段を構成することもできる。

〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、操舵入力検出手段で検出する操舵入力は、操舵トルクに限るものではなく、操舵角度を採用することも可能である。
また、この発明に係る電動ステアリング装置は、前述した実施例の電動パワーステアリング装置への適用に限るものではなく、この発明は、ステア・バイ・ワイヤ・システムのステアリング装置にも適用可能である。なお、ステア・バイ・ワイヤ・システムとは、ステアリングホイールなどの操作子と転舵機構とが機械的に分離されていて、操作子に反力を作用させる反力モータと、転舵機構に設けられて転舵輪を転舵させる力を発生させるステアリングモータとを備えた操舵システムである。

この発明に係る電動ステアリング装置の構成図である。 前記電動ステアリング装置のモータに対する電流制御のブロック図である。 基本ダンパ補償電流テーブルの一例を示す図である。 ダンパレシオテーブルの一例を示す図である。 ダンパレシオテーブルの他の例を示す図である。 ダンパレシオテーブルの別の例を示す図である。 ダンパレシオテーブルのさらに別の例を示す図である。

符号の説明

１０ 前輪（転舵輪）
１１ モータ
１４ レゾルバ（モータ位置検出手段）
３０ 操舵トルクセンサ（操舵入力検出手段）
６１ 回転速度算出部（操舵速度検出手段）
６２ 基本ダンパ補償電流算出部（ダンパ手段）
６３ 操舵角度算出部（操舵角度検出手段）
６４ ダンパレシオ算出部（ダンパゲイン変更手段）
１００ 電動パワーステアリング装置（電動ステアリング装置）

Claims (3)

1. ステアリング系に入力される操舵入力を検出する操舵入力検出手段と、
   前記ステアリング系の操舵角度を検出する操舵角度検出手段と、
   前記ステアリング系の操舵速度を検出する操舵速度検出手段と、
   前記操舵速度検出手段で検出した操舵速度に基づいて前記ステアリング系にダンピングを付与するダンパ手段と、を備え、
   前記操舵入力検出手段で検出した操舵入力に基づいてモータを駆動して転舵輪を転舵する電動ステアリング装置において、
   前記操舵角度検出手段で検出された操舵角度に応じて前記ダンパ手段のダンパゲインを変更するダンパゲイン変更手段を備え、このダンパゲイン変更手段は、操舵角度が小さくなるにしたがってダンパゲインを増大させることを特徴とする電動ステアリング装置。
2. ステアリング系に入力される操舵入力を検出する操舵入力検出手段と、
   前記ステアリング系の操舵角度を検出する操舵角度検出手段と、
   前記ステアリング系の操舵速度を検出する操舵速度検出手段と、
   前記操舵速度検出手段で検出した操舵速度に基づいて前記ステアリング系にダンピングを付与するダンパ手段と、を備え、
   前記操舵入力検出手段で検出した操舵入力に基づいてモータを駆動して転舵輪を転舵する電動ステアリング装置において、
   前記操舵角度検出手段で検出された操舵角度に応じて前記ダンパ手段のダンパゲインを変更するダンパゲイン変更手段を備え、このダンパゲイン変更手段は、操舵角度が所定値以下のときのダンパゲイン変更率を、操舵角度が前記所定値より大きいときのダンパゲイン変更率よりも大きく設定することを特徴とする電動ステアリング装置。
3. 前記モータはブラシレスモータであり、該ブラシレスモータのモータ位置検出手段によって前記操舵角度を検出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動ステアリング装置。

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