JP5263181B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両の操舵系にモータによるアシスト力を付与するようにした電動パワーステアリング装置に関し、特にドライバの選択に応じて複数のステアリングモードを切替えられ、切替時に滑らかなアシスト特性の切替を実現できる電動パワーステアリング装置に関するものである。

車両のステアリング装置をモータの回転力で操舵補助力（アシスト）を付与する電動パワーステアリング装置は、モータの駆動力を減速機を介してギア又はベルト等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に操舵補助力を付与するようになっている。かかる従来の電動パワーステアリング装置は、操舵補助トルクを正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行っている。フィードバック制御は、電流指令値とモータ電流検出値との差が小さくなるようにモータ印加電圧を調整するものであり、モータ印加電圧の調整は、一般的にＰＷＭ（パルス幅変調）制御のデューティ比の調整で行っている。

このような電動パワーステアリング装置の一般的な構成を、図１を参照して説明する。ハンドル１のコラム軸２は減速ギア３、ユニバーサルジョイント４Ａ及び４Ｂ、ピニオンラック機構５を経て操向車輪のタイロッド６に連結されている。コラム軸２には、ハンドル１の操舵トルクをトーションバーの捩れに応じて検出するトルクセンサ１０が設けられており、ハンドル１の操舵力を補助するモータ２０が、減速ギア３を介してコラム軸２に連結されている。パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット３０にはバッテリ１４から電力が供給されると共に、イグニッションキー１１を経てイグニッションキー信号が入力される。コントロールユニット３０は、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴｒと車速センサ１２で検出された車速Ｖｅｌとに基づいてアシスト指令の電流指令値Ｉの演算を行い、演算された電流指令値Ｉに基づいてモータ２０に供給する電流を制御する。

コントロールユニット３０は主としてＣＰＵ（又はＭＰＵやＭＣＵ）で構成されるが、そのＣＰＵ内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと、図２のようになっている。

図２を参照してコントロールユニット３０の機能及び動作を説明すると、トルクセンサ１０で検出されて入力される操舵トルクＴｒ及び車速センサ１２からの車速Ｖｅｌは操舵補助指令値演算部３１に入力され、アシストマップを用いて操舵補助指令値Ｉｒｅｆが演算される。演算された操舵補助指令値Ｉｒｅｆは過熱保護条件等による最大出力制限部３２で制限されて出力され、最大出力を制限された電流指令値Ｉは減算部３３に入力される。

なお、操舵補助指令値演算部３１での操舵補助指令値Ｉｒｅｆの演算は、操舵トルクＴｒ及び車速Ｖｅｌに加えて更に操舵角を用いて演算することも可能である。

減算部３３は、電流指令値Ｉとフィードバックされているモータ２０の電流ｉとの偏差ΔＩ（＝Ｉ−ｉ）を求め、偏差ΔＩは電流制御部３４で制御され、制御された電流制御値ＥはＰＷＭ制御部３５に入力されてデューティ比を演算され、インバータ３６を介してモータ２０をＰＷＭ駆動する。インバータ３６には、バッテリ１４から電源リレー１３を経て電力が供給されており、モータ２０のモータ電流ｉはモータ電流検出回路３７で検出され、減算部３３に入力されてフィードバックされる。

ここにおいて、車両の走行時、走行状態毎にステアリング動作の変更が求められている。例えば、路面が乾いている時と濡れている時に要求されるステアリングモードは別であり、また、男女、年齢、運転の経験等によっても異なるステアリングモードが要求されている。更に、渋滞時や山道での走行についても別々のステアリングモードに設定する必要がある。これらの状況に対して、様々なステアリングモード間でスムーズに切替えることができる切替手段を設けることが必要である。

そこで、特許文献１（特許第２９９８９２８号公報）には、目標電流信号特性が異なる複数の制御モード手段を所定の条件で切替えることができる制御手段を備えた電動パワーステアリング装置が提案されている。該制御手段は、一定処理時間内に、切替前の目標電流信号又は切替後の目標電流信号のうち、いずれか一方に新たな値、他方に前回の値を用い、いずれか一方又は他方を処理時間毎に交互に用いて移行時の目標電流信号を演算する切替手段を有し、制御モード手段の切替前の目標電流信号から制御モード手段の切替後の目標電流信号への移行を時間経過とともに連続的に変化させるようにしている。即ち、特許文献１の制御手段では、制御モード手段を切替前後の目標電流信号を算出し、移行係数により徐々に特性を変化させている。

特許第２９９８９２８号公報 特開２００３−１９９７２号公報 特開２００９−１１３５５０号公報

しかし、特許文献１の電動パワーステアリング装置は、各制御モード間でスムーズに切替えることはできるが、アシスト特性の切替を徐々に特性変化させるために、操舵トルク及び車速に基づいて切替前後の目標電流信号を計算して、移行係数から成る徐変機能により制御している。このようにすると、切替前後のアシスト特性演算と徐変機能演算とを備えなければならないので、ＣＰＵの演算処理容量が増えてしまい、他の制御機能にも演算不具合等に支障をきたす可能性がある。従って、他の制御機能の演算に支障をきたさないために、ＣＰＵの演算処理の負荷を軽減する必要がある。

本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、車両の走行状態、例えば路面状態、渋滞、運転手の好みなどに応じて、ステアリングモードをスムーズに切替えることができ、且つ、ＣＰＵの演算処理の負荷を軽減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。

本発明は、ステアリングにかかる操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、車速を検出する車速検出手段と、ハンドルに操舵操作をアシストするアシスト力を発生するモータと、前記操舵トルク及び前記車速に基づいて操舵補助指令値を演算するとともに、前記車速の急変に対応する漸減漸増機能を具備する操舵補助指令演算部と、前記操舵補助指令演算部から出力された操舵補助指令値に基づいて前記モータを制御するモータ制御手段とを備えた電動パワーステアリング装置に関し、本発明の上記目的は、各ステアリングモードの代替車速と前記車速との対応関係を示す、複数の擬似車速パラメータを具備するとともに、入力されたステアリングモード切替信号に対応するステアリングモードに応じて前記擬似車速パラメータを参照して前記車速を前記代替車速に変換し、変換した前記代替車速を前記操舵補助指令演算部に入力する車速切替手段を備え、前記モータ制御手段は、前記ステアリングモード切替信号が入力されたときに、前記操舵トルク及び前記代替車速に基づいて前記操舵補助指令演算部により演算された操舵補助指令値に基づいてアシスト制御を行うことより達成される。

更に、本発明の上記目的は、前記擬似車速パラメータがマップ形式、又はゲイン形式、又はオフセット形式であることにより、より効果的に達成される。また、本発明の上記目的は、前記車速切替手段では、急激な変動が発生しないように、変換した前記代替車速の最大出力を制限し、最大出力が制限された前記代替車速を前記操舵補助指令演算部に入力するようになっていることにより、より効果的に達成される。

本発明に係る電動パワーステアリング装置は、従来のアシスト特性マップを用いながら、擬似車速パラメータに応じて実際の車速を各ステアリングモードの代替車速に変換し、変換された代替車速に基づいてアシスト制御を行うようにしている。元々、電動パワーステアリング装置には、車速の急変に対応する徐変機能があるので、滑らかなステアリングモードの切替が得られる。更に、特許文献１のように切替前後のアシスト量を演算する必要がなく、代替車速の演算のみを行うため、演算装置（ＣＰＵ）に対する負荷を軽減することができる。

電動パワーステアリング装置の概要を示す構成図である。 コントロールユニットの一般的な構成例を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係る電動パワーステアリング装置の概要を示す構成図である。 本発明の実施例１に係るコントロールユニットの構成例を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係る車速切替部の内部構成例を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係る擬似車速パラメータの一例（マップ形式）を示す特性図である。 本発明の実施例１に係る電動パワーステアリング装置における切替時の操舵指令値の変化の一例を示す図である。 本発明の実施例１に係る電動パワーステアリング装置の切替時の動作例を示すタイムチャートである。 本発明の実施例２に係る擬似車速パラメータの一例（ゲイン形式）を示す特性図である。 本発明の実施例３に係る擬似車速パラメータの一例（オフセット形式）を示す特性図である。

車両のステアリングモードを切替えることは、同一の操舵トルクＴｒに対して、駆動モータ２０が操舵操作にアシストするアシスト量を変化させることであり、モータ２０を制御する操舵補助指令値Ｉｒｅｆの変化を意味している。通常操舵補助指令値Ｉｒｅｆは、操舵トルクＴｒ及び車速Ｖｅｌに基づいて演算されている。従って、ステアリングモードを切替えるときに、操舵トルクＴｒ又は/及び車速Ｖｅｌを変化させれば、アシスト量を変化させることができ、ステアリングモードを切替えることができる。

更に、通常操舵補助指令演算部３１は、車速Ｖｅｌの急変時に良い操舵感が得られるようにするために、漸減及び漸増機能（所謂ランプ機能又は徐変機能）を搭載している。例えば、特許文献２（特開２００３−１９９７２号公報）には、変化後の車速に対応する操舵補助指令値まで操舵補助指令値を等幅に徐変させる電動パワーステアリング装置が開示されている。また、特許文献３（特開２００９−１１３５５０号公報）には、所定のしきい値を超えないとき、車速変化に応じて操舵補助指令値を変化させ、しきい値を超える場合に、制限された変化率で操舵補助指令値を変化させる電動パワーステアリング装置が開示されている。即ち、車速の急変が発生する時に、漸減漸増機能を備えることにより操舵補助指令値を滑らかに変化させることができる。

従って、ステアリングモードを切替える際に、車速を変化させることにより別のステアリングモードに切替えることが考えられる。

本発明では、ステアリングモードを切替えるときに、モータ２０を制御する操舵補助指令値Ｉｒｅｆを演算する際、車速センサ１２により検出された車速Ｖｅｌを用いることではなく、事前に定められた各ステアリングモードの擬似車速パラメータに応じて、検出された車速Ｖｅｌを代替車速Ｖｅｌａに変換し、変換された代替車速Ｖｅｌａに基づいてアシスト制御を行うようにしている。このように代替車速を用いることによってステアリングモードを切替えることができると共に、電動パワーステアリング装置に元々備えられている車速の急変に対応する漸増漸減機能により、スムーズにステアリングモードを切替えることができる。
（実施例１）
図３は本発明の実施例１に係る電動パワーステアリング装置の概要を、図１に対応させて示す構成図である。実施例１に係る電動パワーステアリング装置はステアリングモード切替スイッチ１７を備えており、３種類のステアリングモードＳＴ１〜ＳＴ３を切替えられるようになっている。ステアリングモード切替スイッチ１７は運転手の手の届く所に設けられ、運転手の動作に応じてステアリングモードＳＴ１、ＳＴ２及びＳＴ３の切替信号ＳＷを発生し、発生した切替信号ＳＷをコントロールユニット３０に入力する。本実施例では、３種類のステアリングモードＳＴ１〜ＳＴ３しか備えられていないが、各ステアリングモードに対応している擬似車速パラメータさえ備えれば、３種類以上のステアリングモードを実現することも当然に可能である。

図４は本実施例に係る電動パワーステアリング装置のコントロールユニット３０の構成例を示すブロック図であり、前述した図２に対応させて示す構成図であるので、同一部材には同一符号を付して説明を省略する。本実施例に係るコントロールユニット３０には、車速切替部３８が設けられている。車速切替部３８は、車速センサ１２により検出された車速Ｖｅｌを入力すると共に、ステアリングモード切替スイッチ１７からの切替信号ＳＷを入力し、該切替信号ＳＷに対応している擬似車速パラメータに応じて、入力された車速Ｖｅｌを代替車速Ｖｅｌａに変換する。

補助指令値演算部３１は、車速切替部３８で変換された代替車速Ｖｅｌａ及びトルクセンサ１０により検出された操舵トルクＴｒを入力し、アシストマップを参照して、代替車速Ｖｅｌａ及び操舵トルクＴｒに基づいて操舵補助指令値Ｉｒｅｆを演算する。電動パワーステアリング装置は、該演算された操舵補助指令値Ｉｒｅｆに基づいてアシスト制御を行う。

図５は、車速切替部３８の構成例を示すブロック図である。車速切替部３８は、ステアリングモード決定部３８１と、代替車速変換部３８２と、出力制限部３８３とを備えている。ステアリングモード決定部３８１は、入力された切替信号ＳＷによって、テアリングモードＳＴ１〜ＳＴ３を決定し、代替車速変換部３８２に車速Ｖｅｌを出力する。

代替車速変換部３８２は３つの擬似車速パラメータを３８２−１〜３８２−３有し、ステアリングモード決定部３８１で決定されたステアリングモードＳＴ１〜ＳＴ３に応じて擬似車速パラメータ３８２−１〜３８２−３を参照して車速Ｖｅｌを代替車速Ｖｅｌａ１〜Ｖｅｌａ３に変換する。擬似車速パラメータ３８２−１〜３８２−３は、車速センサ１２により検出された車速Ｖｅｌと切替後のステアリングモードＳＴ１〜ＳＴ３に対応する代替車速Ｖｅｌａ１〜Ｖｅｌａ３との対応関係を示すパラメータであり、設計要求等に基づいて事前に定められ、ＲＯＭ等の記憶装置に格納されている。本実施例に係る電動パワーステアリング装置では３種類のステアリングモードＳＴ１〜ＳＴ３を有し、ステアリングモードＳＴ１に設定すると、車速Ｖｅｌを擬似パラメータ３８２−１に応じて代替車速Ｖｅｌａ１に変換し、ステアリングモードＳＴ２に設定すると、車速Ｖｅｌを擬似パラメータ３８２−２に応じて代替車速Ｖｅｌａ２に変換し、ステアリングモードＳＴ３に設定すると、車速Ｖｅｌを擬似パラメータ３８２−３に応じて代替車速Ｖｅｌａ３に変換する。

図５に示すように、代替車速変換部３８２は、決定されたステアリングモードＳＴ１〜ＳＴ３に対応する擬似車速パラメータ３８２−１〜３８２−３に応じて、それぞれ車速Ｖｅｌを代替車速Ｖｅｌａ１〜Ｖｅｌａ３に変換し、出力制限部３８３に入力する。出力制限部３８３は、急激な変動が発生しないように代替車速Ｖｅｌａ１〜Ｖｅｌａ３の最大出力を制限し、最大出力を制限された代替車速Ｖｅｌａが操舵補助指令演算部３１に入力する。

本実施例に係る電動パワーステアリング装置の車速切替部３８の擬似車速パラメータ３８２−１〜３８２−３は、図６に示すように、マップの形式で車速Ｖｅｌと代替車速Ｖｅｌａ１〜Ｖｅｌａ３は１対１の関係であり、車速Ｖｅｌが各擬似車速パラメータを参照することにより直接代替車速Ｖｅｌａ１〜Ｖｅｌａ３を出力する。一定の操舵トルクＴｒに対して、車速が高いほどアシスト量が少ないので、ステアリングモードＳＴ２、ステアリングモードＳＴ１、ステアリングモードＳＴ３の順番にハンドルが軽くなる。

切替時の動作について、下記の例を挙げて説明する。例えば、操舵トルクＴｒが一定の条件で、車速Ｖｅｌが３０Km/hのとき、運転手はステアリングモードＳＴ１からステアリングモードＳＴ３に切替えると、図６に示されている擬似車速パラメータによって、代替車速が３０Km/hから０Km/hになり、操舵補助指令値Ｉｒｅｆの変化は図７に示すように、点Ａから点Ｂへ急に変化するはずである。しかし、通常操舵補助指令演算部３１は車速Ｖｅｌの急変に対応する徐変機能を有しているので、操舵補助指令値Ｉｒｅｆは点Ａから点Ｂへ徐変する。すると、運転手の操舵操作に対してアシストするアシスト力は増加し、ハンドルが軽くなり、スムーズにステアリングモードＳＴ３に切替えられる。

図８は本実施例のシミュレーション結果を示すタイムチャートである。図８（Ｂ）は、電動パワーステアリング装置のモータ２０に流れる電流ｉの変化を示す曲線であり、実線が本発明による挙動であり、点線は本発明の機能がない場合の挙動である。図８（Ｃ）は、ステアリングに係る操舵トルクＴｒの変化を示す曲線であり、図８（Ｄ）は車両のステアリングモードの切替を示す曲線である。該シミュレーションは、時点ｔ１以降、操舵トルクＴｒが一定の前提で行われた。時点ｔ０にステアリングモードＳＴ２の条件でイグニッションキーがオンされ、操舵トルクＴｒに基づいてモータ２０により運転者の操舵へのアシストが始まる。時点ｔ１になると、ステアリングモードＳＴ２からステアリングモードＳＴ１に切替え、擬似車速パラメータ３８２−１に応じて変換された代替車速Ｖｅｌａ１に基づいてモータ電流の制御を行い、モータ電流ｉがＩ１からＩ２に変化する。ただし、徐変機能があるので、モータ電流ｉがＩ１からＩ２まで漸増する。時点ｔ２になると、モータ２０に流れる電流ｉはＩ２になり、ステアリングモードＳＴ２に切替える。同じように、時点ｔ３のとき、ステアリングモードＳＴ１からステアリングモードＳＴ３に切替え、モータ電流ｉがＩ２からＩ３へ徐変する。時点ｔ４になると、モータ電流ｉがＩ３になり、電動パワーステアリング装置はステアリングモードＳＴ３に切替える。このように、本実施例に係る電動パワーステアリング装置は、定められた３種類のステアリングモードＳＴ１〜ＳＴ３間でスムーズに切替えることができる。
（実施例２）
上述した実施例１では、車速切替部３８の擬似車速パラメータは、車速Ｖｅｌと代替車速Ｖｅｌａ１〜Ｖｅｌａ３との１対１の対応関係であるが、別の形式も可能である。図９は擬似車速パラメータの他の例（実施例２）を示す図であり、車速Ｖｅｌと該車速に対するゲインとの関係を示すものである。即ち、実施例１のように直接代替車速が得られるのではなく、擬似車速パラメータを用いて車速Ｖｅｌに対するゲインを一旦求め、車速Ｖｅｌと当該ゲインとを乗算することにより代替車速Ｖｅｌａを求めている。
（実施例３）
実施例１の車速Ｖｅｌと代替車速Ｖｅｌａ１〜Ｖｅｌａ３との１対１関係の擬似車速パラメータと、実施例２のゲイン擬似車速パラメータとを除いて、オフセット形式の擬似車速パラメータも可能である。図１０に示すように、横軸は車速Ｖｅｌであり、縦軸は各ステアリングモードで車速に対応するオフセットを示している。代替車速Ｖｅｌａを求めるとき、車速切替部３８は、該オフセット擬似パラメータに応じて、入力された車速Ｖｅｌに対応するオフセットを求め、車速Ｖｅｌとオフセットとを加算することより代替車速Ｖｅｌａを求める。

１０ トルクセンサ
１２ 車速センサ
１３ 電源リレー
１４ バッテリ
１７ ステアリングモード切替スイッチ
２０ モータ
３１ 操舵補助指令演算部
３２ 最大出力制限部
３３ 減算部
３４ 電流制御部
３５ ＰＷＭ制御部
３６ インバータ
３７ モータ電流検出回路
３８ 車速切替部

Claims (5)

1. ステアリングにかかる操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、
   車速を検出する車速検出手段と、
   ハンドルの操舵をアシストするアシスト力を発生するモータと、
   前記操舵トルク及び前記車速に基づいて操舵補助指令値を演算するとともに、前記車速の急変に対応する漸減漸増機能を具備する操舵補助指令演算部と、
   前記操舵補助指令演算部から出力された操舵補助指令値に基づいて前記モータを制御するモータ制御手段とを備えた電動パワーステアリング装置において、
   各ステアリングモードの代替車速と前記車速との対応関係を示す、複数の擬似車速パラメータを具備するとともに、入力されたステアリングモード切替信号に対応するステアリングモードに応じて前記擬似車速パラメータを参照して前記車速を前記代替車速に変換し、変換した前記代替車速を前記操舵補助指令演算部に入力する車速切替手段を備え、
   前記モータ制御手段は、前記ステアリングモード切替信号が入力されたときに、前記操舵トルク及び前記代替車速に基づいて前記操舵補助指令演算部により演算された操舵補助指令値に基づいてアシスト制御を行うことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記擬似車速パラメータがマップ形式である請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記擬似車速パラメータがゲイン形式である請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記擬似車速パラメータがオフセット形式である請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記車速切替手段では、急激な変動が発生しないように、変換した前記代替車速の最大出力を制限し、最大出力が制限された前記代替車速を前記操舵補助指令演算部に入力するようになっている請求項1乃至４のいずれかに記載電動パワーステアリング装置。