JP5895649B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、ステアリング装置およびモーターを有する電動パワーステアリング装置に関する。

特許文献１の電動パワーステアリング装置は、ステアリング装置およびモーターを有する。ステアリング装置は、ステアリングシャフト、減速機構、およびラックシャフトを有する。モーターは、減速機構を介してステアリングシャフトにトルクを付与する。ラックシャフトは、ステアリングシャフトの回転に応じて軸方向へ移動することにより、タイロッドを介してタイヤの転舵角を変更する。

特開２００２−３６５１５０号公報

上記電動パワーステアリング装置において、タイヤを介して路面から受けた反力は、ラックシャフトおよびステアリングシャフトを介してステアリングホイールに伝達される。しかし、ステアリングシャフトにモーターが連結されているため、ステアリングホイールに反力が伝達される過程においてモーターの慣性力により反力が小さくなる。このため、運転者がタイヤと路面との接触状態を正確に把握できないおそれがある。

なお、ここではモーターのトルクがステアリングシャフトに付与される構成の電動パワーステアリング装置の課題について言及しているが、ステアリング装置におけるステアリングシャフトとは別の部品にモーターのトルクが付与される構成の電動パワーステアリング装置においても上記課題と同様の課題が存在する。

本発明は、上記課題を解決するため、タイヤと路面との接触状態を運転者に対して正確に伝達することが可能な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。

（１）第１の手段は、請求項１に記載の発明すなわち、ステアリングホイールが取り付けられるステアリングシャフト、および前記ステアリングシャフトの回転に応じてタイヤの転舵角を変化させるラックシャフトを有するステアリング装置と、前記ステアリング装置にトルクを付与するモーターと、前記ステアリングシャフトのトルクに応じて変化する操舵信号の積分値、および前記ステアリング装置が前記タイヤから受ける反力に応じて変化する反力信号の積分値を算出し、前記操舵信号の積分値と前記反力信号の積分値との差である積分値差と前記反力信号とに基づいて、前記モーターを駆動する駆動信号を生成する制御装置とを有する電動パワーステアリング装置であることを要旨とする。

電動パワーステアリング装置において、タイヤを介して路面から受けた反力がモーターの慣性力の影響を受けることなくステアリングホイールに伝達されると仮定したとき、操舵信号の積分値は反力信号の積分値に対応する大きさを示す。このため、積分値差は、タイヤを介して路面から受けた反力のうち、ステアリングホイールに伝達される過程において消失した分を反映した値とみなすことができる。

上記電動パワーステアリング装置は、以上の事項を踏まえて、積分値差および反力信号に基づいてモーターに対する駆動信号を生成する。このため、この駆動信号を受けたモーターが発生するトルクは、ステアリングホイールに伝達される過程において消失した反力に相当する成分を含む。このため、タイヤと路面との接触状態を運転者に対して正確に伝達することができる。

（２）第２の手段は、請求項２に記載の発明すなわち、前記ステアリング装置は、タイロッドを有し、前記制御装置は、前記タイロッドまたは前記ラックシャフトの軸方向の荷重に応じて変化する信号を前記反力信号として取り扱う請求項１に記載の電動パワーステアリング装置であることを要旨とする。

（３）第３の手段は、請求項３に記載の発明すなわち、前記電動パワーステアリング装置は、バンドパスフィルターを有し、前記制御装置は、前記バンドパスフィルターを通過した前記操舵信号および前記反力信号のそれぞれに基づいて、前記操舵信号の積分値および前記反力信号の積分値を算出する請求項１または２に記載の電動パワーステアリング装置であることを要旨とする。

ステアリング装置においては、シミー現象またはジャダー現象に基づく振動がタイヤから伝達される場合がある。一般に、シミー現象またはジャダー現象に基づくステアリング装置の振動にともないステアリングホイールが振動するとき、運転者はこの振動を不快に感じる。

上記電動パワーステアリング装置は、以上の事項を踏まえて、バンドパスフィルターを通過した操舵信号および反力信号のそれぞれに基づいて、操舵信号の積分値および反力信号の積分値を算出する。このため、バンドパスフィルターの周波数帯域に適当な周波数帯域を割り当てることにより、シミー現象またはジャダー現象に基づく振動成分の影響が低減された操舵信号の積分値および反力信号の積分値が得られる。このため、運転者に不快な振動が伝達されるおそれが小さくなる。

（４）第４の手段は、請求項４に記載の発明すなわち、前記制御装置は、前記積分値差、前記反力信号、およびゲインに基づいて前記駆動信号を生成する請求項１〜３のいずれか一項に記載の電動パワーステアリング装置であることを要旨とする。

上記電動パワーステアリング装置によれば、駆動信号によって示されるモーターのトルクをゲインに応じて調整することができる。このため、積分値差が大きすぎること、または積分値差が小さすぎることに起因して、タイヤと路面との接触状態が運転者に対して正確に伝達されない状況が生じるおそれが小さくなる。

（５）第５の手段は、請求項５に記載の発明すなわち、前記制御装置は、車速が大きくなるにつれて前記ゲインを大きくする請求項４に記載の電動パワーステアリング装置であることを要旨とする。

一般に、車速が大きくなるにつれて運転者の意識がより強く車両進行方向に向けられる。すなわち、車速が小さい場合と比較して、ステアリングホイールに向けられる意識が相対的に低下する。

上記電動パワーステアリング装置は、この点を踏まえて、車速が大きくなるにつれてゲインを大きくする。このため、駆動信号によって示されるモーターのトルクに含まれる反力に相当する成分も車速が大きくなるにつれて大きくなる。このため、車両が高速で走行している場合において、タイヤと路面との接触状態を運転者に対して正確に伝達することができる。

（６）第６の手段は、請求項６に記載の発明すなわち、前記制御装置は、前記ゲイン、前記積分値差、および前記反力信号に基づいて前記モーターのトルクを補正する補正値を算出し、前記補正値に対する上限ガード値が設定されている請求項４または５に記載の電動パワーステアリング装置であることを要旨とする。

上記電動パワーステアリング装置によれば、上限ガード値よりも大きい補正値に基づいてモーターがトルクを発生することが抑制される。このため、補正値が大きすぎることに起因して、タイヤと路面との接触状態が運転者に対して正確に伝達されない状況が生じるおそれが小さくなる。

本発明は、タイヤと路面との接触状態を運転者に対して正確に伝達することが可能な電動パワーステアリング装置を提供する。

本発明の実施形態における電動パワーステアリング装置の全体構造を示すブロック図。 実施形態の電動パワーステアリング装置の制御装置に記憶されるマップであり、ゲインと車速との関係を示すマップ。 実施形態の電動パワーステアリング装置の制御装置により実行される駆動信号生成処理の手順を示すフローチャート。

図１を参照して、電動パワーステアリング装置１の全体構成について説明する。
電動パワーステアリング装置１は、ステアリングホイール２、タイヤ３、ステアリング装置１０、およびアシスト装置４０を有する。

ステアリング装置１０は、ステアリングシャフト２０、ラックシャフト３１、およびタイロッド３２を有する。
ステアリングシャフト２０は、コラムシャフト２１、インターミディエイトシャフト２２、およびピニオンシャフト２３を有する。

ステアリングホイール２は、コラムシャフト２１に連結される。コラムシャフト２１は、インターミディエイトシャフト２２に連結される。インターミディエイトシャフト２２は、ピニオンシャフト２３に連結される。

ラックシャフト３１は、ピニオンシャフト２３と噛み合う。タイロッド３２は、ラックシャフト３１の両端に連結される。タイロッド３２は、ナックル（図示略）を介してタイヤ３に連結される。

アシスト装置４０は、操舵トルクセンサー４１、反力センサー４２、車速センサー４３、モーター５１、減速機構５２、および制御装置６０を有する。
操舵トルクセンサー４１は、コラムシャフト２１と減速機構５２との連結箇所よりもステアリングホイール２側において、コラムシャフト２１のねじれ量に応じて変化する信号を操舵信号Ｔｓとして生成する。操舵信号Ｔｓは、コラムシャフト２１が正回転することによってねじれるときに正の符号を有する。一方、操舵信号Ｔｓは、コラムシャフト２１が逆回転することによってねじれるときに負の符号を有する。

反力センサー４２は、タイロッド３２の軸方向の長さの変化に応じて変化する信号を反力信号Ｈｓとして生成する歪みゲージである。反力信号Ｈｓは、コラムシャフト２１の正回転に対応する方向にタイヤ３の転舵角が変化することによってタイロッド３２が力を受けたときの長さの変化方向を正の符号で示す。一方、反力信号Ｈｓは、コラムシャフト２１の逆回転に対応する方向にタイヤ３の転舵角が変化することによってタイロッド３２が力を受けたときの長さの変化方向を負の符号で示す。

車速センサー４３は、車両の車速Ｖに応じて変化する信号を車速信号Ｖｓとして生成する。
モーター５１は、制御装置６０によって生成される駆動信号Ｋｓに応じて、コラムシャフト２１に付与するモータートルクＴｍを発生する。

減速機構５２は、ウォームシャフト５３と、ウォームホイール５４とを有する。ウォームシャフト５３は、モーター５１の出力軸に固定される。ウォームホイール５４は、コラムシャフト２１に固定される。ウォームホイール５４は、ウォームシャフト５３と噛み合う。

制御装置６０は、操舵トルクセンサー４１、反力センサー４２、および車速センサー４３から得られる信号に基づいてモータートルクＴｍを決定する。制御装置６０は、モーター５１のトルクをモータートルクＴｍにする駆動信号Ｋｓを生成する。

電動パワーステアリング装置１の動作について説明する。
運転者は、タイヤ３の転舵角を変更するとき、ステアリングホイール２に操舵トルクＴｕを入力する。ステアリングシャフト２０は、ステアリングホイール２と一体的に回転する。

制御装置６０は、操舵信号Ｔｓに基づいてコラムシャフト２１のトルクＴｃを認識する。制御装置６０は、車速信号Ｖｓに基づいて車速Ｖを認識する。制御装置６０は、反力信号Ｈｓに基づいてタイロッド３２の軸方向に生じる力を反力Ｆとして認識する。制御装置６０は、トルクＴｃおよび車速Ｖに基づいてモータートルクＴｍを算出する。制御装置６０は、操舵信号Ｔｓおよび反力信号Ｈｓに基づいてモータートルクＴｍを補正する。制御装置６０は、補正したモータートルクＴｍでモーター５１を駆動する駆動信号Ｋｓを生成する。

ラックシャフト３１は、ステアリングシャフト２０の回転に応じて軸方向に移動する。タイロッド３２は、ラックシャフト３１の軸方向の移動に応じてタイヤ３の転舵角を変更する。タイロッド３２は、タイヤ３と路面とが接触しているため、タイヤ３から反力Ｆを受ける。反力Ｆは、ラックシャフト３１とピニオンシャフト２３との噛み合いにより、ラックシャフト３１を介して、ステアリングシャフト２０の回転方向と反対方向の反力トルクＴｈとして伝達される。

制御装置６０についてより詳細に説明する。
制御装置６０は、入力部６１、バンドパスフィルター６２、積分部６３、駆動信号生成部６４、および出力部６５を有する。

入力部６１は、操舵信号Ｔｓ、反力信号Ｈｓ、および車速信号Ｖｓを取得する。
バンドパスフィルター６２は、操舵信号Ｔｓおよび反力信号Ｈｓを入力部６１から取得する。バンドパスフィルター６２は、操舵信号Ｔｓに対するフィルターおよび反力信号Ｈｓに対するフィルターを有する。バンドパスフィルター６２の各フィルターは、２０Ｈｚ〜３０Ｈｚの通過周波数帯域を有する。

積分部６３は、操舵信号Ｔｓおよび反力信号Ｈｓをバンドパスフィルター６２から取得する。積分部６３は、操舵信号Ｔｓの最新値を取得した時点から、所定の期間を遡った時点までにわたって取得した操舵信号Ｔｓの積分値を第１積分値ＩＡとして常に算出する。積分部６３は、反力信号Ｈｓの最新値を取得した時点から、所定の期間を遡った時点までにわたって取得した反力信号Ｈｓの積分値を第２積分値ＩＢとして常に算出する。

駆動信号生成部６４は、操舵信号Ｔｓおよび車速信号Ｖｓを入力部６１から取得する。駆動信号生成部６４は、第１積分値ＩＡおよび第２積分値ＩＢを積分部６３から取得する。駆動信号生成部６４は、操舵信号Ｔｓに基づいてトルクＴｃを認識する。駆動信号生成部６４は、車速信号Ｖｓに基づいて車速Ｖを認識する。駆動信号生成部６４は、トルクＴｃの積分値として第１積分値ＩＡを認識する。駆動信号生成部６４は、反力Ｆの積分値として第２積分値ＩＢを認識する。駆動信号生成部６４は、第２積分値ＩＢを反力トルクＴｈの積分値に変換する。駆動信号生成部６４は、最新の変換後の第２積分値ＩＢと最新の第１積分値ＩＡとの差を積分値差Ｄとして算出する。

制御装置６０は、ゲインＧと車速Ｖとを対応させて示すマップ（図２参照）を記憶している。ゲインＧは、０を超える所定値から１未満の所定値まで車速Ｖが増加することに応じて増加するようにマップにおいて定められる。駆動信号生成部６４は、マップを参照することによって車速Ｖの最新値に対応するゲインＧを決定する。

駆動信号生成部６４は、トルクＴｃの最新値および車速Ｖの最新値に基づいてモータートルクＴｍを算出する。駆動信号生成部６４は、反力Ｆ、積分値差Ｄ、およびゲインＧを乗算することによってモータートルクＴｍの補正値Ａを算出する。駆動信号生成部６４は、モータートルクＴｍに補正値Ａを加算することにより、モータートルクＴｍを補正する。駆動信号生成部６４は、モーター５１のトルクをモータートルクＴｍにする駆動信号Ｋｓを生成する。

出力部６５は、駆動信号Ｋｓをモーター５１に出力する。
図３のフローチャートを参照して、上述した制御装置６０の各部の動作のうち駆動信号Ｋｓを生成する処理の流れについて説明する。

ステップＳ１１において、バンドパスフィルター６２は、２０Ｈｚ〜３０Ｈｚの操舵信号Ｔｓおよび反力信号Ｈｓを通過させる。
ステップＳ１２において、積分部６３は、第１積分値ＩＡと第２積分値ＩＢとを算出する。

ステップＳ１３において、駆動信号生成部６４は、最新の第１積分値ＩＡと最新の第２積分値ＩＢとの積分値差Ｄを算出する。
ステップＳ１４において、駆動信号生成部６４は、マップを参照することにより最新の車速Ｖに対応するゲインＧを決定する。

ステップＳ１５において、駆動信号生成部６４は、最新のトルクＴｃおよび最新の車速Ｖに基づいてモータートルクＴｍを算出する。
ステップＳ１６において、駆動信号生成部６４は、積分値差Ｄ、ゲインＧ、および反力Ｆを乗算することによって補正値Ａを算出する。

ステップＳ１７において、駆動信号生成部６４は、補正値ＡをモータートルクＴｍに加算することによってモータートルクＴｍを補正する。
ステップＳ１８において、駆動信号生成部６４は、補正したモータートルクＴｍを示す駆動信号Ｋｓを生成する。

本実施形態の電動パワーステアリング装置１は以下の効果を奏する。
（１）制御装置６０は、操舵信号Ｔｓおよび反力信号Ｈｓの積分値の積分値差Ｄに基づいて、モーター５１を駆動する駆動信号Ｋｓを生成する。

モーター５１は、減速機構５２を介してコラムシャフト２１に連結されているため、モーター５１とコラムシャフト２１との連結箇所において慣性力が生じる。このため、ステアリングホイール２には、慣性力によって減少した反力トルクＴｈが伝達される。制御装置６０は、反力トルクＴｈの減少分を示す積分値差ＤをモータートルクＴｍに反映する。このため、タイヤ３と路面との接触状態をより正確に運転者に伝達することができる。

（２）制御装置６０は、２０Ｈｚ〜３０Ｈｚを通過周波数帯域とするバンドパスフィルター６２を有する。この構成によれば、操舵信号Ｔｓおよび反力信号Ｈｓに含まれる信号のうちタイヤ３が接触している路面の種類など、運転者が必要な情報を認識するための情報を含む信号を通過させることができる。

（３）制御装置６０は、０を超え、かつ１未満のゲインＧを乗算することによって補正値Ａを算出する。上記構成によれば、補正値Ａの大きさを減少させることにより、モータートルクＴｍが過大になることを抑制することができる。

（４）制御装置６０は、車速Ｖが速くなることに応じてゲインＧを大きくする。
運転者は、例えば、車庫入れをしているときなど車両が低速で走行しているときには、周囲の状況を直接視認しながら運転をすることが容易である。したがって、タイヤ３と路面との接触状態を認識することの必要性は低くなる。一方、運転者は、例えば、高速道路を走行しているときなど車両が高速で走行しているときには、前方の状況に集中する必要性が高くなるため、周囲の状況を直接視認しながら運転をすることが困難である。したがって、タイヤ３と路面との接触状態を認識することの必要性が高くなる。上記構成によれば、タイヤ３と路面との接触状態を認識することの必要性に応じて、運転者に伝達する反力の大きさを調節できる。

（５）制御装置６０は、操舵信号Ｔｓの積分値と反力信号Ｈｓの積分値との積分値差Ｄに基づいて補正値Ａを算出する。
反力Ｆは、反力トルクＴｈとしてステアリングホイール２に伝達されるまでに時間を要する。このため、反力センサー４２によって検出された反力Ｆを示す反力信号Ｈｓと、この反力Ｆが反力トルクＴｈとして反映されたトルクＴｃを示す操舵信号Ｔｓとは位相差を有する。上記構成によれば、互いに位相差を有する信号の積分値を積分値差Ｄとして算出することにより、この位相差の影響を受けることなく、反力トルクＴｈの減少分と等価な値を積分値差Ｄとして算出することができる。

本発明は、上記実施形態以外の実施形態を含む。以下、本発明のその他の実施形態としての上記実施形態の変形例を示す。なお、以下の各変形例は、互いに組み合わせることもできる。

・実施形態の電動パワーステアリング装置１は、タイロッド３２に生じる力を検出する反力センサー４２を有する。一方、変形例の電動パワーステアリング装置は、ラックシャフト３１に生じる力を検出する反力センサーを有する。

・実施形態の電動パワーステアリング装置１は、補正値Ａを算出するときにゲインＧを乗算する。一方、変形例の電動パワーステアリング装置は、ゲインを乗算することなく補正値を算出する。

・実施形態の電動パワーステアリング装置１は、補正値Ａを算出するときに所定のゲインＧを乗算する。一方、変形例の電動パワーステアリング装置は、この電動パワーステアリング装置を搭載する車両の車種に応じて定められたゲインを乗算することによって補正値を算出する。

・実施形態の電動パワーステアリング装置１は、操舵信号Ｔｓおよび反力信号Ｈｓの通過周波数帯域が同じバンドパスフィルター６２を有する。一方、変形例の電動パワーステアリング装置は、操舵信号Ｔｓおよび反力信号Ｈｓの通過周波数帯域として、互いに異なる通過周波数帯域を有するバンドパスフィルターを有する。

・実施形態の電動パワーステアリング装置１は、操舵信号Ｔｓおよび反力信号Ｈｓに対して個別のバンドパスフィルターを有する。一方、変形例の電動パワーステアリング装置は、操舵信号Ｔｓおよび反力信号Ｈｓを所定の通過周波数帯域で通過させる単独のバンドパスフィルターを有する。この場合、単独のバンドパスフィルターは、例えば、時分割方式でそれぞれの信号を通過させる。

・実施形態の電動パワーステアリング装置１は、ゲインＧ、積分値差Ｄ、および反力Ｆを乗算することにより補正値Ａを算出する。一方、変形例の電動パワーステアリング装置は、補正値が所定のしきい値を超える場合、この補正値をこのしきい値と同じ値に変更する。つまり、変形例の電動パワーステアリング装置は、補正値に対する上限ガード値が設定される。

・実施形態の電動パワーステアリング装置１は、補正値Ａを算出するときに、０を超え、かつ１未満のゲインＧを乗算する。一方、変形例の電動パワーステアリング装置は、補正値を算出するときに、１以上のゲインを乗算する。

・実施形態の電動パワーステアリング装置１は、コラムアシスト型のアシスト装置４０を有する。一方、変形例の電動パワーステアリング装置は、ラックアシスト型のアシスト装置を有する。ラックアシスト型のアシスト装置は、デュアルピニオン型、ラック同軸型、およびラックパラレル型のアシスト装置を含む。

１…電動パワーステアリング装置、２…ステアリングホイール、３…タイヤ、１０…ステアリング装置、２０…ステアリングシャフト、２１…コラムシャフト、２２…インターミディエイトシャフト、２３…ピニオンシャフト、３１…ラックシャフト、３２…タイロッド、４０…アシスト装置、４１…操舵トルクセンサー、４２…反力センサー、４３…車速センサー、５１…モーター、５２…減速機構、５３…ウォームシャフト、５４…ウォームホイール、６０…制御装置、６１…入力部、６２…バンドパスフィルター、６３…積分部、６４…駆動信号生成部、６５…出力部。

Claims (6)

1. ステアリングホイールが取り付けられるステアリングシャフト、および前記ステアリングシャフトの回転に応じてタイヤの転舵角を変化させるラックシャフトを有するステアリング装置と、
   前記ステアリング装置にトルクを付与するモーターと、
   前記ステアリングシャフトのトルクに応じて変化する操舵信号の積分値、および前記ステアリング装置が前記タイヤから受ける反力に応じて変化する反力信号の積分値を算出し、前記操舵信号の積分値と前記反力信号の積分値との差である積分値差と前記反力信号とに基づいて、前記モーターを駆動する駆動信号を生成する制御装置と
   を有する電動パワーステアリング装置。
2. 前記ステアリング装置は、タイロッドを有し、
   前記制御装置は、前記タイロッドまたは前記ラックシャフトの軸方向の荷重に応じて変化する信号を前記反力信号として取り扱う
   請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記電動パワーステアリング装置は、バンドパスフィルターを有し、
   前記制御装置は、前記バンドパスフィルターを通過した前記操舵信号および前記反力信号のそれぞれに基づいて、前記操舵信号の積分値および前記反力信号の積分値を算出する
   請求項１または２に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記制御装置は、前記積分値差、前記反力信号、およびゲインに基づいて前記駆動信号を生成する
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記制御装置は、車速が大きくなるにつれて前記ゲインを大きくする
   請求項４に記載の電動パワーステアリング装置。
6. 前記制御装置は、前記ゲイン、前記積分値差、および前記反力信号に基づいて前記モーターのトルクを補正する補正値を算出し、前記補正値に対する上限ガード値が設定されている請求項４または５に記載の電動パワーステアリング装置。