JP5087920B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、操舵部材の操作に応じて目標補助力を算出し、該目標補助力を発生すべく操舵補助用のモータを駆動して、操舵を補助する構成とした電動パワーステアリング装置に関する。

近年、車両用のパワーステアリング装置として、操舵補助用のアクチュエータに電動モータを用いる電動パワーステアリング装置が普及している。この電動パワーステアリング装置は、一般的に、ステアリングホイール等の操舵部材の操作を舵取機構に伝えるステアリング軸の中途にトルクセンサを配し、操舵部材の操作に応じてステアリング軸に加わる操舵トルクを前記トルクセンサにより検出して、検出された操舵トルクに基づいて目標補助力を求め、該目標補助力を発生させるように操舵補助用のモータを駆動制御する構成となっている（例えば、特許文献１参照）。

前記トルクセンサは、操舵部材に加えられる操舵トルクの作用によりステアリング軸に生じる捩れを検出対象として構成されており、この捩れを大きくして操舵トルクの検出精度を高めることを目的として、ステアリング軸の中途に、操舵部材側の入力軸と舵取機構側の出力軸とを低剛性のトーションバーにより連結してなる連結部を設けており、この連結部においてトーションバーの捩れに応じて入力軸と出力軸との間に生じる相対角変位を適宜の手段により検出するようにしてある。
特開２００４−３３８５６２号公報

このようなトルクセンサを備える電動パワーステアリング装置においては、トーションバーが一種のダンパーの働きをし、路面状態が操舵部材に伝わりにくいという状況が生じたり、操舵部材を操作するときに若干の時間遅れを伴って舵取機構が反応したりというような状況が生じ、操舵感が悪化するという問題があった。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、操舵部材の操作に伴い変化する操舵角度に基づいて目標補助力を算出することにより、低剛性のトーションバーを備えるトルクセンサを不要とし、操舵感を向上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を目的とする。

第１発明に係る電動パワーステアリング装置は、車両の操舵部材の操作に基づいて目標補助力を求め、求めた目標補助力に応じて操舵補助用のモータを駆動して、操舵を補助する電動パワーステアリング装置において、前記操舵部材の操作に伴って変化する操舵角度を検出する操舵角センサと、該操舵角センサにより検出される操舵角度を用いて操舵角速度及び操舵角加速度を算出する算出手段と、該算出手段により算出される操舵角速度及び操舵角加速度並びに前記操舵角センサにより検出される操舵角度を用いて前記目標補助力を算出する補助力算出手段とを備え、該補助力算出手段は、前記車両の操舵用車輪のタイヤが路面上で弾性変形しつつ操舵がなされる弾性領域と、前記タイヤが前記路面に対して滑りながら操舵がなされる摩擦領域とを判別し、前記弾性領域では、前記タイヤの弾性変形に伴う弾性力を主要素とする弾性項を含む運動方程式を用いて前記操舵用車輪を転舵させるために必要な操舵力を求め、求めた操舵力から前記目標補助力を算出し、前記摩擦領域では、前記タイヤと前記路面との間に働く摩擦力を主要素とする摩擦項を含む運動方程式を用いて前記操舵用車輪を転舵させるために必要な操舵力を求め、求めた操舵力から前記目標補助力を算出することを特徴とする。

第２発明に係る電動パワーステアリング装置は、車両の操舵部材の操作に基づいて目標補助力を求め、求めた目標補助力に応じて操舵補助用のモータを駆動して、操舵を補助する電動パワーステアリング装置において、前記操舵部材の操作に伴って変化する操舵角度を検出する操舵角センサと、該操舵角センサにより検出される操舵角度から予め定めた基準操舵角度を減算して相対操舵角度を算出する相対角度算出手段と、該相対角度算出手段により算出された相対操舵角度を用いて相対操舵角速度及び相対操舵角加速度を算出する算出手段と、該算出手段により算出される相対操舵角速度及び相対操舵角加速度並びに前記相対角度算出手段により算出される相対操舵角度を用いて前記目標補助力を算出する補助力算出手段とを備え、該補助力算出手段は、前記車両の操舵用車輪のタイヤが路面上で弾性変形しつつ操舵がなされる弾性領域と、前記タイヤが前記路面に対して滑りながら操舵がなされる摩擦領域とを判別し、前記弾性領域では、前記タイヤの弾性変形に伴う弾性力を主要素とする弾性項を含む運動方程式を用いて前記操舵用車輪を転舵させるために必要な操舵力を求め、求めた操舵力から前記目標補助力を算出し、前記摩擦領域では、前記タイヤと前記路面との間に働く摩擦力を主要素とする摩擦項を含む運動方程式を用いて前記操舵用車輪を転舵させるために必要な操舵力を求め、求めた操舵力から前記目標補助力を算出することを特徴とする。

第３発明に係る電動パワーステアリング装置は、前記補助力算出手段が、前記運動方程式を用いて求めた操舵力が、予め定めた上限操舵力以上であるときに、該上限操舵力から前記目標補助力を算出するように構成してあることを特徴とする。

第４発明に係る電動パワーステアリング装置は、前記操舵部材が切り返し中であることを判定する判定手段を備え、前記相対角度算出手段は、前記補助力算出手段により算出される操舵力が前記上限操舵力以上である状態下にて、前記判定手段により切り返し中であると判定されたとき、前記基準操舵角度を再設定するように構成してあることを特徴とする。

第５発明に係る電動パワーステアリング装置は、前記車両の走行速度を検出する車速センサを備え、前記運動方程式は、前記操舵部材の操作に応じて生じる動摩擦を示す動摩擦項を含んでおり、前記補助力算出手段は、前記車速センサにより検出された車速に応じて、前記上限操舵力、弾性項及び動摩擦項のうち少なくとも１つを変更するように構成してあることを特徴とする。

第１発明によれば、操舵部材の操作に伴って変化する操舵角度、該操舵角度から算出した操舵角速度及び操舵角加速度を用いて必要となる操舵力を求め、この操舵力から目標補助力を求める補助力算出手段を備えており、目標補助力を求めるためにトルクセンサを設ける必要がなく、ステアリング軸を剛性の高い中空材又は中実材により構成することにより操舵感を向上することができる。

補助力算出手段は、操舵の状態が弾性領域にあるか摩擦領域にあるかを判別し、目標補助力の算出に際し、弾性領域ではタイヤの弾性力を主要素とする弾性項を含む運動方程式を用い、摩擦領域ではタイヤと路面との間に働く摩擦力を主要素とする摩擦項を含む運動方程式を用いるから、夫々の領域で目標補助力を精度良く求めることができ、適切に操舵の補助を行うことができる。

第２発明によれば、予め定めた基準操舵角度を操舵角度から減算して求めた相対操舵角度、該相対操舵角度から算出した相対操舵角速度及び相対操舵角加速度を用いて、主として相対操舵角度に比例して必要となる操舵力を求め、この操舵力から目標補助力を算出する補助力算出手段を備えている。この結果、トルクセンサを設けることなく、ステアリング軸を剛性の高い中空材又は中実材により構成することにより操舵感を向上でき、また、基準操舵角度として、例えば操舵用車輪のタイヤが弾性変形していない状態の操舵角度を用いることにより、操舵用車輪のタイヤの弾性挙動を考慮して、必要な操舵力の主要部分を占める操舵系の弾性力を求めて目標補助力を精度良く求めることができ、適切に操舵の補助を行うことができる。

補助力算出手段は、操舵の状態が弾性領域にあるか摩擦領域にあるかを判別し、目標補助力の算出に際し、弾性領域ではタイヤの弾性力を主要素とする弾性項を含む運動方程式を用い、摩擦領域ではタイヤと路面との間に働く摩擦力を主要素とする摩擦項を含む運動方程式を用いるから、夫々の領域で目標補助力を精度良く求めることができ、適切に操舵の補助を行うことができる。

第３発明によれば、運動方程式を用いて求めた操舵力が、予め定めた上限操舵力以上であるときに、該上限操舵力により目標補助力を算出するように構成してあるから、例えば操舵用車輪のタイヤと路面間に働く摩擦力に基づいて上限操舵力を定めることにより、弾性変形したタイヤが路面に対して滑りながら操舵がなされる状態においても、目標補助力を精度良く求めることができ、適切に操舵の補助を行うことができる。

第４発明によれば、補助力算出手段により算出される操舵力が上限操舵力以上である状態下にて、操舵部材が切り返し中であると判定されたとき、基準操舵角度を再設定して、この再設定された基準操舵角度を運動方程式に適用しているから、目標補助力を精度良く求めることができ、適切に操舵の補助を行うことができる。

第５発明によれば、上限操舵力、弾性項及び動摩擦項のうち少なくとも１つを、車両の走行速度に応じて変更しているから、目標補助力を精度良く求めることができ、適切に操舵の補助を行うことができる。

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構成を示す模式図である。なお本図には、ラックピニオン式の舵取機構を備える車両への適用例を示しているが、本発明は、ボールねじ式の舵取機構等、他の形式の舵取機構を備える車両への適用も可能であることは言うまでもない。

ラックピニオン式の舵取機構は、図示しない車体の左右方向に延設されたラックハウジング１０の内部に軸長方向への移動自在に支持されたラック軸１と、ラックハウジング１０の中途に交叉するピニオンハウジング２０の内部に回転自在に支持されたピニオン軸２とを備える公知の構成を有している。

ラックハウジング１０の両側から外部に突出するラック軸１の両端は、各別のタイロッド１１，１１を介して操舵用車輪としての左右の前輪１２，１２に連結され、またピニオンハウジング２０の一側から外部に突出するピニオン軸２の上端は、ステアリング軸３を介して操舵部材としてのステアリングホイール３０に連結されている。またピニオンハウジング２０の内部に延びるピニオン軸２の下部には、図示しないピニオンが形成されており、該ピニオンは、ラックハウジング１０との交叉部において、ラック軸１の外面に適長に亘って形成されたラック歯に噛合させてある。

ステアリング軸３は、筒形をなすコラムハウジング３１の内部に回転自在に支持され、該コラムハウジング３１を介して、図示しない車室の内部に前方を下とした傾斜姿勢を保って取り付けてあり、コラムハウジング３１の下方へのステアリング軸３の突出端にピニオン軸２が連結され、同じく上方への突出端にステアリングホイール３０が固設されている。

以上の構成により、操舵のためにステアリングホイール３０が回転操作された場合、この回転がステアリング軸３を介してピニオン軸２に伝達され、該ピニオン軸２の回転が、ピニオンとラック歯との噛合部においてラック軸１の軸長方向の移動に変換されることとなり、このようなラック軸１の移動により、左右の前輪１２，１２が各別のタイロッド１１，１１を介して押し引きされて舵取りがなされる。

ステアリング軸３を支持するコラムハウジング３１の中途には、ステアリングホイール３０の回転操作に伴って変化する操舵角度を検出する操舵角センサ４が設けてあり、該操舵角センサ４よりも下位置に操舵補助用のモータ５が取り付けてある。

操舵角センサ４は、ステアリング軸３の回転角度を検出する回転角センサとして構成することができる。ステアリングホイール３０は、操舵のため直進中立位置を中心として左右両方向に夫々複数回転に亘って回転操作されるため、操舵角センサ４は、ステアリングホイール３０の回転範囲の全域に亘る絶対角度を検出可能に構成された回転角センサであることが望ましい。また、操舵補助用のモータ５のロータの回転角度を検出するレゾルバをステアリング軸３の回転角度を求める回転角センサ、即ち操舵角センサ４として用いることも可能である。

操舵補助用のモータ５は、コラムハウジング３１の外側に軸心を略直交させて取り付けてあり、コラムハウジング３１の内部に延びる出力端に固着されたウォームをステアリング軸３に外嵌固定されたウォームホイールに噛合させ、モータ５の回転を、ウォーム及びウォームホイールにより減速してステアリング軸３に伝え、前述の如く行われる舵取りを補助するように構成されている。

このように取り付けられた操舵補助用のモータ５は、アシスト制御部６からモータ駆動回路７を介して与えられる制御指令に従って駆動される。アシスト制御部６には、操舵角センサ４による操舵角度の検出値、車両の適宜部位に配された車速センサ８による車速の検出値が与えられている。また、操舵補助用のモータ５には、該モータ５に流れる電流を検出するモータ電流センサ５０が設けてあり、モータ電流センサ５０による電流の検出値もアシスト制御部６に与えられている。

図２は、アシスト制御部６のブロック図である。アシスト制御部６は、内部バス６０により相互に接続されたＣＰＵ６１，ＲＯＭ６２及びＲＡＭ６３を備え、ＲＯＭ６２に記憶された制御プログラムに従うＣＰＵ６１の動作により以下のアシスト制御を実施するＥＣＵとして構成されている。操舵角センサ４により検出される操舵角度θ_h 、車速センサ８により検出される車速Ｖ及びモータ電流センサ５０により検出されるモータ電流Ｉ_s は、各別の入力インタフェース６４，６５，６６を介してＣＰＵ６１に取り込まれるようになしてある。

本発明に係る電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイール３０の回転操作に伴って変化する操舵角度θ_h を用いて、ステアリング軸３に加えるべき目標補助力をトルク換算した目標補助トルクＴ_a を求め、求めた目標補助トルクＴ_a から操舵補助用のモータ５に供給すべき目標駆動電流Ｉ_a を決定するように構成してある。

まず、操舵角度θ_h を用いて目標補助トルクＴ_a を求める方法について説明する。ステアリングホイール３０から前輪１２，１２までを含む操舵系の運動方程式は次式のように表される。
Ｔ_n ＝Ｊ・α_h ＋Ｃ・ω_h ＋Ｋ・θ_h ＋Ｔ_h … （１）
ここで、Ｊは操舵系の慣性モーメント、Ｃは操舵系の粘性摩擦係数、Ｋは操舵系の弾性係数、Ｔ_h は操舵系の動摩擦により決まるトルク（以下、動摩擦トルクという）である。θ_h は操舵角度である。ω_h は操舵角速度であり、θ_h の一階微分値として与えられる。α_h は操舵角加速度であり、θ_h の二階微分値として与えられる。

このような操舵系の運動方程式により求められるＴ_n は、前輪１２，１２を転舵させるために必要となる操舵力をトルク換算した値（以下、必要トルクという）であり、（１）式に示すように、操舵角度θ_h に比例する弾性項，操舵角速度のω_h に比例する粘性項，操舵角加速度α_h に比例する慣性項及び動摩擦項により表すことができる。θ_h は、ステアリングホイール３０の直進中立位置からの方向に応じて正負が定められており、例えば、直進中立位置から右方向を正、左方向を負としてある。Ｔ_h の正負は、θ_h と同様に定められている。

操舵補助用のモータ５によりステアリング軸３に加えるべき目標補助トルクＴ_a は、（１）式により求められる必要トルクＴ_n を用いて次式により求められる。
Ｔ_a ＝Ｔ_n −Ｔ_ha … （２）
ここで、Ｔ_haはステアリングホイール３０を回転操作する運転者が加えるべき操舵入力トルク狙い値であり、後述するように車速に応じてステアリングホイール３０の手応え感として適宜設定されているパラメータである。

（２）式により求められる目標補助トルクＴ_a を、以下に述べるように、ステアリングホイール３０の操作状態に応じて、操舵の補助として加える必要が有るか否か、左右いずれの方向に加えるかが決定される。

例えば、ステアリングホイール３０の操作状態を、操舵開始、切り込み、保舵、切り返し、操舵終了に分けて考える。操舵開始とは、ステアリングホイール３０を直進中立位置から右又は左方向に回転操作を始めた状態である。この状態は、操舵角速度ω_h が０でないことにより判定される。操舵開始であると判定された場合、ステアリングホイール３０の回転方向と同方向に、目標補助トルクＴ_a を加えるように決定される。

保舵とは、ステアリングホイール３０が直進中立位置から右又は左方向に回転操作された位置に保持されている状態である。この状態は、操舵角速度ω_h が０であり、モータ電流Ｉ_s が０でないことにより判定される。保舵であると判定された場合、直前の目標補助トルクＴ_a から動摩擦トルクＴ_h を減算したトルクを目標補助トルクＴ_a として加えるように決定される。

操舵終了とは、ステアリングホイール３０が直進中立位置に戻されて保持されている状態である。この状態は、操舵角速度ω_h 及びモータ電流Ｉ_s が０であることにより判定される。

切り込みとは、（１）式により求まる必要トルクＴ_n の向きと同方向にステアリングホイール３０を回転操作している状態であり、切り返しとは、必要トルクＴ_n の向きと逆方向にステアリングホイール３０を回転操作している状態である。切り込み及び切り返しの状態にあることは、必要トルクＴ_n 及び操舵角速度ω_h が共に０ではないことにより判定される。切り込みと切り返しは、必要トルクＴ_n と操舵角速度ω_h との積の正負により区別される。即ち、求めた積が正である場合は切り込み、求めた積が負である場合は切り返しとなる。切り込みであると判定された場合、ステアリングホイール３０の回転方向と同方向に、目標補助トルクＴ_a を加えるように決定される。切り返しであると判定された場合、ステアリングホイール３０の回転方向と逆方向に、目標補助トルクＴ_a を加えるように決定される。

以上のように分類された操作状態に応じてアシスト制御部６は、操舵角度θ_h を用いて目標補助トルクＴ_a を求め、求めた目標補助トルクＴ_a から操舵補助用のモータ５に供給すべき目標駆動電流Ｉ_a を求めている。図３及び図４は、アシスト制御部６の動作内容を示すフローチャートである。アシスト制御部６は、まずサンプリング回数を示すＮを初期化する（Ｎ＝１：ステップＳ１）。次に、操舵角センサ４により検出される操舵角度θ_h （Ｎ）、車速センサ８により検出される車速Ｖ（Ｎ）、モータ電流センサ５０により検出されるモータ電流Ｉ_s （Ｎ）を夫々取り込む（ステップＳ２，３，４）。

更に、ステップＳ２において今回のサンプリング時に取り込まれた操舵角度θ_h （Ｎ）と、ステップＳ２において前回のサンプリング時に取り込まれた操舵角度θ_h （Ｎ−１）とを用いて差分演算を実施し、操舵角速度ω_h （Ｎ）を求める（ステップＳ５）。次に、ステップＳ５において差分演算により求められた操舵角速度ω_h （Ｎ）と、ステップＳ５において前回のサンプリング時に差分演算により求められた操舵角速度ω_h （Ｎ−１）とを用いて差分演算を実施し、操舵角加速度α_h （Ｎ）を求める（ステップＳ６）。なお、Ｎ＝１の場合のステップＳ５，Ｓ６の差分演算は、操舵角度θ_h （Ｎ−１）＝０，操舵角速度ω_h （Ｎ−１）＝０として夫々実行すればよい。

アシスト制御部６は、操舵角速度ω_h （Ｎ）が０か否かを判定し（ステップＳ７）、操舵角速度ω_h （Ｎ）が０でない場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、ステップＳ８に進み、操舵角速度ω_h （Ｎ）が０である場合（ステップＳ７：ＮＯ）、ステップＳ１１に進む。ステップＳ７の判定条件において、ステアリングホイール３０が操作されているか否かを判定している。ステアリングホイール３０が操作されている場合の状態としては、操舵開始，切り込み又は切り返しがあり得る。またステアリングホイール３０が操作されていない場合の状態としては、保舵又は操舵終了があり得る。

ステップＳ８において、操舵入力トルク狙い値Ｔ_ha（Ｎ）と車速Ｖ（Ｎ）との対応関係を示す入力トルク狙い値マップに、ステップＳ３において取り込まれた車速Ｖ（Ｎ）を適用して操舵入力トルク狙い値Ｔ_ha（Ｎ）を決定する。入力トルク狙い値マップは、車速Ｖの高低に応じて操舵入力トルク狙い値Ｔ_haが増減するように予め設定してある。

次に、（１）式を用いて必要トルクＴ_n （Ｎ）を、（２）式を用いて目標補助トルクＴ_a （Ｎ）を夫々算出する（ステップＳ９，１０）。なお、このように算出される目標補助トルクＴ_a （Ｎ）は、ステアリングホイール３０の操作状態が操舵開始及び切り込みである場合は｜Ｔ_a （Ｎ−１）｜＜｜Ｔ_a （Ｎ）｜となり、加えられる方向はステアリングホイール３０の回転方向と同方向となる。切り返しである場合は｜Ｔ_a （Ｎ−１）｜＞｜Ｔ_a （Ｎ）｜となり、加えられる方向はステアリングホイール３０の回転方向と逆方向となる。

一方、アシスト制御部６は、ステップＳ１１において、モータ電流Ｉ_s （Ｎ）が０か否かを判定し、モータ電流Ｉ_s （Ｎ）が０でない場合（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、目標補助トルクをＴ_a （Ｎ）＝Ｔ_a （Ｎ−１）−Ｔ_h により求める（ステップＳ１２）。モータ電流Ｉ_s （Ｎ）が０である場合（ステップＳ１１：ＮＯ）、目標補助トルクＴ_a （Ｎ）を決定せずに終了する。

ステップＳ１１の判定条件により、ステアリングホイール３０の操作状態が保舵又は操舵終了のいずれであるかを判定している。前述したように、保舵の場合はモータ電流Ｉ_s （Ｎ）が０ではなく（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、操舵終了の場合はモータ電流Ｉ_s （Ｎ）が０である（ステップＳ１１：ＮＯ）。

アシスト制御部６は、ステップＳ１０又はステップＳ１２において算出された目標補助トルクＴ_a （Ｎ）に基づいて目標駆動電流Ｉ_a （Ｎ）を決定する（ステップＳ１３）。次に、目標駆動電流Ｉ_a （Ｎ）と操舵補助用のモータ５に流れるモータ電流Ｉ_s （Ｎ）との偏差を求め、この偏差に対してＰＩＤ演算を行って、モータ電圧を求め、この演算結果に基づくＰＷＭ信号をモータ駆動回路７に与える（ステップＳ１４）。モータ駆動回路７は、ステップＳ１４においてアシスト制御部６から与えられるＰＷＭ信号によりモータ５を駆動する。アシスト制御部６は、Ｎに１を加算して（ステップＳ１５）、ステップＳ２に戻って一連の動作を繰り返す。以上により、目標駆動電流Ｉ_a （Ｎ）と実際のモータ電流Ｉ_s （Ｎ）とを一致させ、目標駆動電流Ｉ_a （Ｎ）に応じた目標補助トルクＴ_a （Ｎ）を得ることができる。

なお、本実施の形態において、アシスト制御部６は、車速Ｖ（Ｎ）と操舵入力トルク狙い値Ｔ_ha（Ｎ）との関係を示す入力トルク狙い値マップに車速Ｖ（Ｎ）を適用してＴ_ha（Ｎ）を求めているが、これに限定されず、車速Ｖ（Ｎ）と操舵入力トルク狙い値Ｔ_ha（Ｎ）との関係を示す関数に車速Ｖ（Ｎ）を適用して操舵入力トルク狙い値Ｔ_ha（Ｎ）を求めるように構成してもよいことは言うまでもない。

以上のように構成された本発明に係る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３０の操作に伴って変化する操舵角度、該操舵角度から算出した操舵角速度及び操舵角加速度を用いて目標補助力に対応する目標補助トルクを算出しているから、目標補助トルクを求めるためにトルクセンサを設ける必要がなく、ステアリング軸３を剛性の高い中空材又は中実材により構成することにより操舵感を向上でき、またコストを低減することができる。

また、ステアリングホイール３０から前輪１２，１２までを含む操舵系の運動を、操舵角度に比例する弾性項と、操舵角速度に比例する粘性項と、操舵角加速度に比例する慣性項とを含み、（１）式として与えられる運動方程式を用いて前輪１２，１２を転舵させるために必要なトルクを求め、求めた必要トルクから目標補助トルクを算出しているから、目標補助トルクを精度良く求めることができ、適切に操舵の補助を行うことができる。

電動パワーステアリング装置の他の実施の形態について、以下説明する。まず、本実施の形態において用いる操舵系の運動方程式について説明する。

前輪１２，１２はタイヤを備えており、（１）式は、タイヤの弾性変形に伴う弾性力を主要素とする弾性項を有する下記（３）式により表すことができる。タイヤの弾性力は、操舵角センサ４により検出される操舵角度θ_h ではなく、下記（４）式に示すように前輪１２，１２のタイヤの弾性挙動に関連して定まる基準操舵角度θ₀ 、より詳しくは前輪１２，１２のタイヤが弾性変形していない状態の操舵角度である基準操舵角度θ₀ を、操舵角度θ_h から減算して求めた相対操舵角度θに比例する。
Ｔ_n ＝Ｊ・α＋Ｃ・ω＋Ｋ・θ＋Ｔ_h … （３）
θ＝θ_h −θ₀ … （４）
ここで、ωは相対操舵角速度であり、θの一階微分値として与えられる。αは相対操舵角加速度であり、θの二階微分値として与えられる。

そして、ステアリングホイール３０が急激に操作されない限り、（３）式の慣性項及び粘性項は微少値となる。以下、（３）式の慣性項及び粘性項を省略した次式を用いて説明する。
Ｔ_n ＝Ｋ・θ＋Ｔ_h … （５）

ところで、車両の運転中にステアリングホイール３０の回転操作に応じて前輪１２，１２に力が作用するとき、前輪１２，１２のタイヤは該タイヤの接地面と路面間に働く摩擦力により弾性変形し、横方向の力（以下、横力という）が発生する。横力が小さいときは、タイヤの接地面と路面間に働く摩擦力の方が大きいので滑らず、変形に比例した横力が発生する。これに対し前記摩擦力よりも横力が大きいときは、タイヤは路面に対してすべり、該タイヤに加わる横力は略一定となる。即ち、前輪１２，１２を転舵させるために必要な操舵力は、タイヤが路面に対して滑り始めるときの摩擦力（上限操舵力）を超えることはない。

タイヤの弾性変形に伴う弾性力を主要素とする弾性項を有する操舵系の運動方程式を用いる場合には、このようなタイヤの状態に着目して、タイヤが弾性変形しつつ操舵がなされる領域（以下、弾性領域という）と、タイヤが弾性変形した状態にて路面に対して滑りながら操舵がなされる領域（以下、摩擦領域という）との２つの領域に分けて必要トルクＴ_n を考える必要がある。弾性領域においてはタイヤの弾性変形が必要トルクＴ_n の主要素であるから、必要トルクＴ_n は前述した（５）式により与えられる。

一方、摩擦領域においては前述したように前輪１２，１２を転舵させるために必要な操舵力は、タイヤが路面に対して滑り始めるときの摩擦力を超えることはないから、必要トルクＴ_n は次式のように一定値として与えられる。
Ｔ_n ＝Ｔ_t … （６）
Ｔ_t はタイヤの接地面と路面間に働く摩擦力をトルク換算した値に基づいて決定されている（以下、上限トルクという）。なお、上限トルクＴ_t として、例えば、車両据え切り時、タイヤの弾性領域の弾性係数及びタイヤが滑り出すトルクが路面摩擦変化などの外的要因で変化しないという条件下にて計測により求めた所定値を用いることができる。なお、タイヤの接地面と路面間に働く摩擦力は、車速の遅速に応じて大小に変化するから、この上限トルクＴ_t は、車速Ｖの遅速に応じて大小となるように設定してある。

以上より、必要トルクＴ_n がＴ_t 未満である場合は、タイヤが弾性領域にあると判断して、（５）式により必要トルクＴ_n を算出する。一方、必要トルクＴ_n がＴ_t 以上である場合は、タイヤが摩擦領域にあると判断して、（６）式により必要トルクＴ_n を算出する。

ところで、摩擦領域においては、タイヤが新たに弾性変形をすることなく変形状態を保った状態にて路面に対して滑るのであるから、基準操舵角度θ₀ はステアリングホイール３０の回転操作に伴い変化する。このため、タイヤが摩擦領域から弾性領域に切り替わり、弾性領域における必要トルクＴ_n を算出するときに、この摩擦領域における基準操舵角度θ₀ の移動分を加算した値を新たな基準操舵角度θ₀ として用いる必要がある。

しかしながら、操舵角度θ_h が大になるとタイヤは高剛性になり、弾性係数Ｋが増大すると共に、動摩擦トルクＴ_h が、主としてタイヤ寄与分により増加する。このため、弾性領域における基準操舵角度θ₀ に摩擦領域下における操舵角度の変化量を加算した値を新たな基準操舵角度θ₀ として用いることはできない。従って、タイヤが摩擦領域から弾性領域に切り替わるときに、新たな弾性係数Ｋ及び動摩擦トルクＴ_h を用いて基準操舵角度θ₀ を再設定して、この再設定された基準操舵角度θ₀ を用いて弾性領域における必要トルクＴ_n を算出する必要がある（図５は基準操舵角度θ₀ の考え方を示す説明図であり、操舵の一例を示している）。

基準操舵角度θ₀ は次式のように表される。
θ₀ ＝θ_hr−（Ｔ_tr−Ｔ_h ）／Ｋ … （７）
ここで、θ_hrは切り返し時の操舵角度θ_h 、Ｔ_trは切り返し時における上限トルクである。

図６及び図７は、他の実施の形態におけるアシスト制御部６の動作内容を示すフローチャートである。アシスト制御部６は、サンプリング回数を示すＮを初期化する（Ｎ＝１：ステップＳ２１）。次に、操舵角センサ４により検出される操舵角度θ_h （Ｎ）、車速センサ８により検出される車速Ｖ（Ｎ）、モータ電流センサ５０により検出されるモータ電流Ｉ_s （Ｎ）を夫々取り込む（ステップＳ２２，２３，２４）。

更に、ステップＳ２２において取り込まれた操舵角度θ_h （Ｎ）から基準操舵角度θ₀ （Ｎ）を減算して、相対操舵角度θ（Ｎ）を求める（ステップＳ２５）。なお、Ｎ＝１の場合のステップＳ２５の演算は、基準操舵角度θ₀ （Ｎ）＝操舵角度θ_h （Ｎ）として実行すればよい。

次に、ステップＳ２２において今回のサンプリング時に取り込まれた操舵角度θ_h （Ｎ）と、ステップＳ２２において前回のサンプリング時に取り込まれた操舵角度θ_h （Ｎ−１）とを用いて差分演算を実施し、操舵角速度ω_h （Ｎ）を求める（ステップＳ２６）。なお、Ｎ＝１の場合のステップＳ２６の差分演算は、操舵角度θ_h （Ｎ−１）＝０として実行すればよい。

アシスト制御部６は、操舵角速度ω_h （Ｎ）が０か否かを判定し（ステップＳ２７）、操舵角速度ω_h （Ｎ）が０でない場合（ステップＳ２７：ＹＥＳ）、ステップＳ２８に進み、操舵角速度ω（Ｎ）が０である場合（ステップＳ２７：ＮＯ）、ステップＳ３３に進む。ステップＳ２７の判定条件については、図４におけるステップＳ７の判定条件と同様であるので、説明を省略する。

ステップＳ２８において、操舵角度θ_h （Ｎ）と操舵系の弾性係数Ｋ（Ｎ）との対応関係を示す弾性係数マップに、ステップＳ２２において取り込まれた操舵角度θ_h （Ｎ）を適用して弾性係数Ｋ（Ｎ）を決定する。弾性係数マップは、操舵角度θ_h の大小に応じて弾性係数Ｋが増減するように予め設定してある。この操舵角度θ_h と操舵系の弾性係数Ｋとの対応関係は、車速Ｖの変化に伴い変化するため、アシスト制御部６は、予め用意された複数の弾性係数マップを車速Ｖに応じて選択して弾性係数Ｋを求めている。

次に、操舵角度θ_h （Ｎ）と動摩擦トルクＴ_h （Ｎ）との対応関係を示す動摩擦トルクマップに、ステップＳ２２において取り込まれた操舵角度θ_h （Ｎ）を適用してＴ_h （Ｎ）を決定する（ステップＳ２９）。動摩擦トルクマップは、操舵角度θ_h の大小に応じてＴ_h が増減するように予め設定してある。操舵角度θ_h と動摩擦トルクＴ_h との対応関係も同様に、車速Ｖの変化に伴い変化するため、アシスト制御部６は、予め用意された複数の動摩擦トルクマップを車速Ｖに応じて選択してＴ_h を求めている。

更に、車速Ｖ（Ｎ）と操舵入力トルク狙い値Ｔ_ha（Ｎ）との対応関係を示す入力トルク狙い値マップに、ステップＳ２３において取り込まれた車速Ｖ（Ｎ）を適用して操舵入力トルク狙い値Ｔ_ha（Ｎ）を決定する（ステップＳ３０）。入力トルク狙い値マップは、車速Ｖの高低に応じて操舵入力トルク狙い値Ｔ_haが増減するように予め設定してある。

このように求められた弾性係数Ｋ（Ｎ）及び動摩擦トルクＴ_h （Ｎ）を（５）式に適用して必要トルクＴ_n （Ｎ）を算出する（ステップＳ３１）。次に、ステップＳ３１において算出された必要トルクＴ_n （Ｎ）と、ステップＳ２６において求められた操舵角速度ω_h （Ｎ）との積が０より大か否かを判定し（ステップＳ３２）、必要トルクＴ_n （Ｎ）と操舵角速度ω_h （Ｎ）との積が０より大である場合（ステップＳ３２：ＹＥＳ）、ステップＳ３４に進み、切り込み時の目標補助トルクＴ_a （Ｎ）を算出する。一方、必要トルクＴ_n （Ｎ）と操舵角速度ω_h （Ｎ）との積が０以下である場合（ステップＳ３２：ＮＯ）、ステップＳ３５に進み、切り返し時の目標補助トルクＴ_a （Ｎ）を算出する。

ステップＳ３２の判定条件により、ステアリングホイール３０の操作状態が切り込み又は切り返しのいずれであるかを判定している。前述したように、切り込みの場合は、操舵角速度ω_h （Ｎ）及び必要トルクＴ_n （Ｎ）の正負が同じとなる（ステップＳ３２：ＹＥＳ）。切り返しの場合は、操舵角速度ω_h （Ｎ）及び必要トルクＴ_n （Ｎ）の正負が異なる（ステップＳ３２：ＮＯ）。

図８は、切り込み時の目標補助トルクＴ_a （Ｎ）の算出手順を示すフローチャートである。アシスト制御部６は、必要トルクＴ_n （Ｎ）が上限トルクＴ_t 未満であるか否かを判定する（ステップＳ５１）。必要トルクＴ_n （Ｎ）がＴ_t 未満である場合（ステップＳ５１：ＹＥＳ）、（５）式により求めた必要トルクＴ_n （Ｎ）を用いて（２）式により目標補助トルクＴ_a （Ｎ）を算出して（ステップＳ５２）、リターンする。必要トルクＴ_n （Ｎ）がＴ_t 以上である場合（ステップＳ５１：ＮＯ）、（６）式により求めた必要トルクＴ_n （Ｎ）を用いて（２）式により目標補助トルクＴ_a （Ｎ）を算出して（ステップＳ５３）、リターンする。

ステップＳ５１の判定条件により、タイヤが弾性領域又は摩擦領域のいずれの領域にあるかを判定している。前述したように、弾性領域にある場合（ステップＳ５１：ＹＥＳ）、（５）式により必要トルクＴ_n （Ｎ）を求め、摩擦領域にある場合（ステップＳ５１：ＮＯ）、必要トルクＴ_n （Ｎ）は、Ｔ_t を超えることはないことから、（６）式に示すように必要トルクＴ_n （Ｎ）にＴ_t を用いる。なお、上限トルクＴ_t は、前述したように車速の遅速に応じて大小になるように設定してある。アシスト制御部６は、車速Ｖ（Ｎ）と上限トルクＴ_t との関係を示す上限トルクマップに車速Ｖ（Ｎ）を適用してＴ_t を求めるように構成してもよいし、車速Ｖ（Ｎ）と上限トルクＴ_t との関係を示す関数に車速Ｖ（Ｎ）を適用してＴ_t を求めるように構成してもよい。

図９は、切り返し時の目標補助トルクＴ_a （Ｎ）の算出手順を示すフローチャートである。アシスト制御部６は、前回のサンプリング時の必要トルクＴ_n （Ｎ−１）が上限トルクＴ_t 未満であるか否かを判定する（ステップＳ６１）。必要トルクＴ_n （Ｎ−１）がＴ_t 未満である場合（ステップＳ６１：ＹＥＳ）、ステップＳ６２に進み、必要トルクＴ_n （Ｎ−１）がＴ_t 以上である場合（ステップＳ６１：ＮＯ）、ステップＳ６３に進む。ステップＳ６３において、（７）式を用いて基準操舵角度θ₀ （Ｎ）を求める。次に、（４）式を用いて相対操舵角度θ（Ｎ）を求め（ステップＳ６４）、ステップＳ６２に進む。

ステップＳ６２において、アシスト制御部６は、（５）式により求めた必要トルクＴ_n （Ｎ）を用いて（２）式により目標補助トルクＴ_a （Ｎ）を算出してリターンする。なお、ステップＳ６１の判定条件により、前回のサンプリング時において、タイヤが弾性領域又は摩擦領域のいずれの領域にあったかを判定している。これは、前述したようにタイヤが摩擦領域から弾性領域に切り替わるとき（ステップＳ６１：ＮＯ）、新たに基準操舵角度θ₀ （Ｎ）を設定する必要があるためである。

一方、アシスト制御部６は、ステップＳ３３において、モータ電流Ｉ_s （Ｎ）が０か否かを判定し、モータ電流Ｉ_s （Ｎ）が０でない場合（ステップＳ３３：ＹＥＳ）、保舵時の目標補助トルクをＴ_a （Ｎ）＝Ｔ_a （Ｎ−１）−Ｔ_h （Ｎ−１）により求める（ステップＳ３６）。モータ電流Ｉ_s （Ｎ）が０である場合（ステップＳ３３：ＮＯ）、目標補助トルクＴ_a （Ｎ）を決定せずに終了する。ステップＳ３３の判定条件については、図４におけるステップＳ１１の判定条件と同様であるので、説明を省略する。

以上のように目標補助トルクＴ_a （Ｎ）を算出した後、アシスト制御部６は、ステップＳ３４，３５，３６のいずれかにおいて算出された目標補助トルクＴ_a （Ｎ）に基づいて目標駆動電流Ｉ_a （Ｎ）を決定する（ステップＳ３７）。次に、目標駆動電流Ｉ_a （Ｎ）と操舵補助用のモータ５に流れるモータ電流Ｉ_s （Ｎ）との偏差を求め、この偏差に対してＰＩＤ演算を行って、モータ電圧を求め、この演算結果に基づくＰＷＭ信号をモータ駆動回路７に与える（ステップＳ３８）。モータ駆動回路７は、ステップＳ３８においてアシスト制御部６から与えられるＰＷＭ信号によりモータ５を駆動する。アシスト制御部６は、Ｎに１を加算して（ステップＳ３９）、ステップＳ２２に戻って一連の動作を繰り返す。以上により、目標駆動電流Ｉ_a （Ｎ）と実際のモータ電流Ｉ_s （Ｎ）とを一致させ、目標駆動電流Ｉ_a （Ｎ）に応じた目標補助トルクＴ_a （Ｎ）を得ることができる。

なお、本実施の形態において、アシスト制御部６は、車速Ｖ（Ｎ）と入力トルク狙い値Ｔ_ha（Ｎ）との関係を示す入力トルク狙い値マップに車速Ｖ（Ｎ）を適用してＴ_ha（Ｎ）を求めているが、これに限定されず、車速Ｖ（Ｎ）と操舵入力トルク狙い値Ｔ_ha（Ｎ）との関係を示す関数に車速Ｖ（Ｎ）を適用して操舵入力トルク狙い値Ｔ_ha（Ｎ）を求めるように構成してもよいことは言うまでもない。弾性係数Ｋ及び動摩擦トルクＴ_h についても同様に、操舵角度θ_h とＫ及びＴ_h との関係を夫々示す関数に操舵角度θ_h を適用してＫ及びＴ_h を夫々求めるように構成してもよいことは言うまでもない。

以上のように構成された本発明に係る電動パワーステアリング装置においては、前輪１２，１２のタイヤが弾性変形していない状態の操舵角度である基準操舵角度を設定し、この基準操舵角度を現状の操舵角度から減じて相対操舵角度を求めて、該相対操舵角度を相対操舵角度に比例する弾性項を含む運動方程式に適用して必要トルクを求め、求めた必要トルクから予め設定された操舵入力トルク狙い値を減じて目標補助トルクを算出している。この結果、目標補助トルクを求めるためにトルクセンサを設ける必要がなく、ステアリング軸３を剛性の高い中空材又は中実材により構成することにより操舵感を向上でき、またコストを低減することができる。更に必要トルクの主要部分を占める操舵系の弾性項を求めて目標補助トルクを精度良く求めることができ、適切に操舵の補助を行うことができる。

また、タイヤの接地面と路面間に働く摩擦力をトルク換算した値に基づいて決定されている上限トルクＴ_t を定め、運動方程式を用いて求めた必要トルクがＴ_t 以上であるときには、このＴ_t により目標補助トルクを算出するように構成してあるから、タイヤが弾性変形した状態にて路面に対して滑りながら操舵がなされる状態においても、目標補助トルクを精度良く求めることができ、適切に操舵の補助を行うことができる。

更に、補助力算出手段により算出される必要トルクが上限トルクＴ_t 以上である状態下にて、ステアリングホイール３０が切り返し中であると判定されたとき、基準操舵角度を再設定して、この再設定された基準操舵角度を運動方程式に適用しているから、目標補助トルクを精度良く求めることができ、適切に操舵の補助を行うことができる。

また、操舵角度に応じて運動方程式の弾性項及び動摩擦項を夫々変更している。より詳しくは、操舵角度の大小に応じて、（３）式及び（５）式に示す弾性係数Ｋと動摩擦トルクＴ_h とを夫々大小に変更しているから、目標補助力を精度良く求めることができ、適切に操舵の補助を行うことができる。

更に、車速の変化に応じて、（６）式に示す上限トルクＴ_t と（３）式及び（５）式に示す弾性係数Ｋと動摩擦トルクＴ_h とを夫々変更している。例えば、車速の遅速に応じて上限トルクＴ_t を大小に変更しているから、目標補助力を精度良く求めることができ、適切に操舵の補助を行うことができる。

なお、本実施の形態においては、操舵角度に応じて弾性係数Ｋと動摩擦トルクＴ_h との両方を変更しているが、いずれか一方のみでもよい。同様に、車速に応じて上限トルクＴ_t 、弾性係数Ｋ及び動摩擦トルクＴ_h を変更しているが、いずれか１つのみでもよい。

更に、以上の実施の形態においては、ステアリング軸３の回転角度を検出する回転角センサを操舵角センサ４として用いているが、これに限定されず、例えば、前輪１２，１２の角度を検出するセンサを操舵角センサ４として用いてもよい。本発明は、その他、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内において種々変更した形態にて実施することが可能であることは言うまでもない。

本発明に係る電動パワーステアリング装置の構成を示す模式図である。 アシスト制御部のブロック図である。 アシスト制御部の動作内容を示すフローチャートである。 アシスト制御部の動作内容を示すフローチャートである。 基準操舵角度の考え方を示す説明図である。 他の実施の形態におけるアシスト制御部の動作内容を示すフローチャートである。 他の実施の形態におけるアシスト制御部の動作内容を示すフローチャートである。 切り込み時の目標補助トルクの算出手順を示すフローチャートである。 切り返し時の目標補助トルクの算出手順を示すフローチャートである。

符号の説明

４ 操舵角センサ、５ 操舵補助用のモータ、６ アシスト制御部（算出手段，補助力算出手段，相対角度算出手段，判定手段）、８ 車速センサ、１２ 前輪（操舵用車輪）、３０ ステアリングホイール（操舵部材）

Claims (5)

1. 車両の操舵部材の操作に基づいて目標補助力を求め、求めた目標補助力に応じて操舵補助用のモータを駆動して、操舵を補助する電動パワーステアリング装置において、
   前記操舵部材の操作に伴って変化する操舵角度を検出する操舵角センサと、
   該操舵角センサにより検出される操舵角度を用いて操舵角速度及び操舵角加速度を算出する算出手段と、
   該算出手段により算出される操舵角速度及び操舵角加速度並びに前記操舵角センサにより検出される操舵角度を用いて前記目標補助力を算出する補助力算出手段とを備え、
   該補助力算出手段は、
   前記車両の操舵用車輪のタイヤが路面上で弾性変形しつつ操舵がなされる弾性領域と、前記タイヤが前記路面に対して滑りながら操舵がなされる摩擦領域とを判別し、
   前記弾性領域では、前記タイヤの弾性変形に伴う弾性力を主要素とする弾性項を含む運動方程式を用いて前記操舵用車輪を転舵させるために必要な操舵力を求め、求めた操舵力から前記目標補助力を算出し、
   前記摩擦領域では、前記タイヤと前記路面との間に働く摩擦力を主要素とする摩擦項を含む運動方程式を用いて前記操舵用車輪を転舵させるために必要な操舵力を求め、求めた操舵力から前記目標補助力を算出することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 車両の操舵部材の操作に基づいて目標補助力を求め、求めた目標補助力に応じて操舵補助用のモータを駆動して、操舵を補助する電動パワーステアリング装置において、
   前記操舵部材の操作に伴って変化する操舵角度を検出する操舵角センサと、
   該操舵角センサにより検出される操舵角度から予め定めた基準操舵角度を減算して相対操舵角度を算出する相対角度算出手段と、
   該相対角度算出手段により算出された相対操舵角度を用いて相対操舵角速度及び相対操舵角加速度を算出する算出手段と、
   該算出手段により算出される相対操舵角速度及び相対操舵角加速度並びに前記相対角度算出手段により算出される相対操舵角度を用いて前記目標補助力を算出する補助力算出手段とを備え、
   該補助力算出手段は、
   前記車両の操舵用車輪のタイヤが路面上で弾性変形しつつ操舵がなされる弾性領域と、前記タイヤが前記路面に対して滑りながら操舵がなされる摩擦領域とを判別し、
   前記弾性領域では、前記タイヤの弾性変形に伴う弾性力を主要素とする弾性項を含む運動方程式を用いて前記操舵用車輪を転舵させるために必要な操舵力を求め、求めた操舵力から前記目標補助力を算出し、
   前記摩擦領域では、前記タイヤと前記路面との間に働く摩擦力を主要素とする摩擦項を含む運動方程式を用いて前記操舵用車輪を転舵させるために必要な操舵力を求め、求めた操舵力から前記目標補助力を算出することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
3. 前記補助力算出手段は、前記運動方程式を用いて求めた操舵力が、予め定めた上限操舵力以上であるときに、該上限操舵力から前記目標補助力を算出するように構成してある請求項２記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記操舵部材が切り返し中であることを判定する判定手段を備え、前記相対角度算出手段は、前記補助力算出手段により算出される操舵力が前記上限操舵力以上である状態下にて、前記判定手段により切り返し中であると判定されたとき、前記基準操舵角度を再設定するように構成してある請求項３記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記車両の走行速度を検出する車速センサを備え、前記運動方程式は、前記操舵部材の操作に応じて生じる動摩擦を示す動摩擦項を含んでおり、
   前記補助力算出手段は、前記車速センサにより検出された車速に応じて、前記上限操舵力、弾性項及び動摩擦項のうち少なくとも１つを変更するように構成してある請求項３又は４に記載の電動パワーステアリング装置。

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