JP5975242B2 - 舵角比可変操舵装置 - Google Patents

Description

本発明は舵角比可変操舵装置に関する。

特許文献１では、操舵部材（ステアリングホイール）の操舵角に対する転舵輪の転舵角の比（舵角比）を可変にする舵角比可変機構と、アシストトルクを前記転舵輪に付加する電動モータを含む操舵補助機構とを備えた操舵装置が提案されている。
この種の操舵装置を含め、操舵補助機構を備える操舵装置では、操舵伝達軸の一部のシャフトを２分割とし、分割されたシャフト間をトーションバーで相対回転可能に連結している。そのトーションバーのねじれ角に基づいて操舵トルクを検出し、検出した操舵トルクに基づいて、電動モータによるアシスト力を制御している。

特開２００６−１７５９８１号公報

しかしながら、操舵部材を操舵したときに、トーションバーがねじれた分だけ、操舵部材の位相に対して、転舵輪に位相遅れを生ずる。このため、運転者が、ステアリング操作に対する応答性が十分でないと感じたり、ステアリング剛性を低く感じたりして、良好な操舵フィーリングが得られないおそれがある。
仮に、操舵フィーリングを考慮して、トーションバーのねじり剛性を高くした場合、トルク検出のためにトーションバーの微小なねじれ角を検出することが必要となる。しかしながら、その場合、ＳＮ比の関係で、トルク検出の検出精度が悪くなり、結果としてアシスト性能に影響を与えるため、かえって操舵フィーリングを悪くするおそれがある。

そこで、本発明の目的は、応答性が良くて剛性感のある良好な操舵フィーリングを得ることができる舵角比可変操舵装置を提供することである。

前記目的を達成するため、請求項１の発明は、回転操作される操舵部材（２）に連結される第１軸（３ａ）と、前記第１軸と連結されたトーションバー（１７）と、前記第１軸と前記トーションバーを介して連結された第２軸である入力軸（３ｂ）と、転舵機構（Ａ）に連結された第３軸である出力軸（３ｃ）と、前記入力軸と前記出力軸とを接続し、舵角比可変モータ（２１）を含み、前記操舵部材の操作に基づく第１舵角（θts）に前記舵角比可変モータの駆動に基づく第２舵角（θtm）を上乗せすることにより、前記操舵部材の操舵角（θs ）と転舵輪の転舵角（θt ）との比である舵角比（Ｒ）を可変する舵角比可変機構と、前記トーションバーのねじれ角（δ）を検出するねじれ角センサ（１８）と、前記舵角比を変化させる舵角比可変制御を実行し、前記舵角比可変機構の作動を制御する制御装置（１６）と、を備え、前記制御装置は、前記舵角比可変制御において、車両の走行状態に基づく基礎成分（δtmk * ）に、前記ねじれ角センサにより検出されたねじれ角に基づく補償成分（δtmh * ）を重畳することにより、前記第２舵角の制御目標値（δtm* ）を演算する舵角比可変操舵装置（１）を提供する。

なお、括弧内の英数字は、後述する実施形態における対応構成要素等を表すが、このことは、むろん、本発明がそれらの実施形態に限定されるべきことを意味するものではない。以下、この項において同じ。
請求項２の発明のように、前記制御装置は、前記補償成分を前記ねじれ角センサにより検出された前記ねじれ角に等しく設定してもよい。

請求項１の発明によれば、ねじれ角センサにより検出されたねじれ角に基づく補償制御を実行することにより、舵角比可変モータの駆動に基づく第２舵角の制御目標値（目標角）の位相を早めることができる。その結果、トーションバーのねじれに起因する出力軸の位相（すなわち転舵輪の位相）の遅れを抑制することができる。したがって、応答性が良くて剛性感のある良好な操舵フィーリングを運転者に与えることができる。

請求項２の発明によれば、基礎成分に重畳する補償成分を、検出されたトーションバーのねじれ角に等しくして第２舵角の制御目標値を演算する。したがって、トーションバーのねじれに起因する、転舵輪の位相の遅れを解消する効果を高くすることができる。その結果、より良好な操舵フィーリングを運転者に与えることができる。

本発明の一実施の形態の舵角比可変操舵装置の概略構成を示す模式図である。 図１の舵角比可変装置の舵角比可変機構の作用説明図であり、第１舵角と第２舵角が同方向である場合を示している。 図１の舵角比可変機構の作用説明図であり、第１舵角に対して第２舵角が逆方向である場合を示している。 図１の舵角比可変操舵装置の制御ブロック図である。

図１は、本発明の一実施形態の電動パワーステアリング装置の概略構成図である。図１を参照して、舵角比可変操舵装置１は、ステアリングホイール等の操舵部材２に連結している操舵軸３と、操舵軸３に自在継手４を介して連結された中間軸５と、中間軸５に自在継手６を介して連結されたピニオン軸７と、ピニオン軸７の端部近傍に設けられたピニオン８ａに噛み合うラック８ａを有して自動車の左右方向に延びる転舵軸としてのラック軸８とを備えている。ピニオン軸７およびラック軸８により、ラックアンドピニオン機構からなる操舵機構Ａが構成されている。

ラック軸８は車体に固定される図示しないハウジングによって直線往復動可能に支持されている。ラック軸８の両端部は前記ハウジングの両側へ突出し、各端部にはそれぞれタイロッド９が結合されている。各タイロッド９は対応するナックルアーム（図示せず）を介して対応する転舵輪１０に連結されている。
操舵部材２が操作されて操舵軸３が回転されると、この回転がピニオン７ａおよびラック８ａによって、自動車の左右方向に沿ってのラック軸８の直線運動に変換される。これにより、転舵輪１０の舵角、すなわち転舵角を可変することにより、車両進行方向が変更される。

舵角比可変操舵装置１は、操舵系に操舵補助力を付与する操舵補助機構１１と、操舵補助機構１１の作動を制御するＥＰＳ制御部１２とを備えた、例えば、いわゆるコラムアシスト型の電動パワーステアリング装置として構成されている。
操舵補助機構１１は、駆動源としての操舵補助モータとしてのＥＰＳ（Electronic Power Steering ）モータ１３と、ＥＰＳモータ１３の動力を操舵軸３の後述する出力軸３ｃに伝達する減速機構１４とを備えている。減速機構１４は、ＥＰＳモータ１３により駆動される、例えばウォーム等の駆動ギヤ１４ａと、駆動ギヤ１４ａと噛み合い、出力軸３ｃと一体回転可能に連結された、例えばウォームホイール等の被動ギヤ１４ｂとを備えている。

また、舵角比可変操舵装置１は、操舵部材２の舵角（操舵角）と転舵輪１０の舵角（転舵角）との間の伝達比（舵角比）を可変させる舵角比可変機構１５と、舵角比可変機構１５の作動を制御する制御装置としてのＶＧＲ制御部１６とを備えている。
操舵軸３は、操舵部材２に連結された第１軸３ａと、第１軸３ａとトーションバー１７を介して同一軸線上に相対回転可能に連結されて第２軸を構成する、舵角比可変機構１５の入力軸３ｂと、自在継手６を介して中間軸５と連結されて第３軸を構成する、舵角比可変機構１５の出力軸３ｃとを備えている。

トーションバー１７を介する第１軸３ａおよび入力軸３ｂ（第２軸）間の相対回転変位量（トーションバー１７のねじれ角δに相当）により操舵トルクＴを検出するトルクセンサ１８が設けられている。このトルクセンサ１８および車速センサ１９が、ＥＰＳ制御部１２に接続されている。トルクセンサ１８は、トーションバー１７のねじれ角δを検出するねじれ角検出センサとしても機能する。

ＥＰＳ制御部１２は、トルクセンサ１８により検出された操舵トルクＴおよび車速センサ１９により検出された車速Ｖ等に基づいて、ＥＰＳモータ１３を駆動制御する。ＥＰＳモータ１３の出力回転が減速機構１４を介して減速されて出力軸３ｂを介してピニオン軸７に伝達され、ラック軸８の直線運動に変換されて、操舵が補助される。
舵角比可変機構１５は、入力軸３ｂと出力軸３ｃを連結する差動機構２０と、差動機構２０を駆動する舵角比可変モータとしてのＶＧＲ（Variable Gear-Ratio Steering）モータ２１とを備えている。

差動機構２０は、例えば、入力軸３ｂに伴って回転する例えばサンギである入力要素２０ａと、出力軸３ｃに伴って回転する例えばリングギヤである出力要素２０ｂと、入力要素２０ａおよび出力要素２０ｂを連結する例えば遊星ギヤを自転可能に支持し遊星ギヤとともに公転可能なキャリアである中間要素２０ｃとを備えている。
舵角比可変機構１５は、操舵部材２の回転操作に伴う入力軸３ｂの回転に、ＶＧＲモータ２１の駆動による回転を上乗せして出力軸３ｃに伝達することにより、転舵機構Ａに入力される操舵部材２の回転を増速（または減速）することが可能となっている。

すなわち、図２および図３に示すように、舵角比可変機構１５は、ステアリング操作に基づく転舵輪１０の舵角である第１舵角θtsに、ＶＧＲモータ２１の駆動に基づく転舵輪１０の舵角である第２舵角θtm（いわゆるアクト角）を上乗せすることにより、操舵部材２と転舵輪１０との間の伝達比、すなわち操舵角θs と転舵角θt との比率（舵角比Ｒ：Ｒ＝θs ／θt ）を可変させる。

尚、この場合における「上乗せ」とは、加算する場合のみならず減算する場合をも含むものと定義し、以下同様とする。また、「操舵角θs と転舵角θt との比率」をオーバーオールでの舵角比Ｒ（操舵角θs ／転舵角θt ）で表した場合、図２に示すように、第１舵角θtsと同方向の第２舵角θtmを上乗せすることによりオーバーオールでの舵角比Ｒは小さくなる。一方、図３に示すように、第１舵角θtsに対して逆方向の第２舵角θtmを上乗せすることによりオーバーオールでの舵角比Ｒは大きくなる。

また、本実施形態では、舵角比可変機構１５の駆動源であるＶＧＲモータ２１には、ブラシレスモータが採用されており、ＶＧＲモータ２１は、ＶＧＲ制御部１６から供給される三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の駆動電力に基づき回転する。そして、ＶＧＲ制御部１６は、その駆動電力の供給を通じてＶＧＲモータ２１の回転を制御することにより、舵角比可変機構１５の作動、すなわち第２舵角θtmを制御する構成となっている（舵角比可変制御）。

次に、舵角比可変操舵装置１の舵角比可変に関する電気的構成について説明する。図１に示すように、ＶＧＲ制御部１６には、操舵角センサ２２により検出される操舵角θs と、車速センサ１９により検出される車速Ｖと、トルクセンサ１８により検出される、トーションバー１７のねじれ角δと、回転角センサ２３により検出されるＶＧＲモータ２１の実回転角θtmr が入力されるようになっている。そして、ＶＧＲ制御部１６は、これら操舵角θs 、車速Ｖ、ねじれ角δおよび実回転角θtmr に基づいて舵角比可変機構１５の作動を制御すべく、その駆動源であるＶＧＲモータ２１への電力供給を行なうことにより、前記のような舵角比可変制御を実行する構成となっている。

詳述すると、図４に示すように、ＶＧＲ制御部１６は、モータ制御信号を出力するマイコン２４と、そのモータ制御信号に基づきＶＧＲモータ２１に対する駆動電力の供給を実行する駆動回路２５とを備えた電子制御ユニットＥＣＵ(Electronic Control Unit) として構成されている。
なお、以下に示す各制御ブロックは、マイコン２４が実行するコンピュータプログラムにより実現されるものである。そして、マイコン２４は、所定のサンプリング周期で各状態量を検出し、所定周期毎に以下の各制御ブロックに示される各演算処理を実行することにより、モータ制御信号を生成する。

マイコン２４には、基礎成分演算部２６と、補償成分演算部２７と、モータ制御信号演算部２８が設けられている。基礎成分演算部２６には、操舵角θs および車速Ｖが入力されるようになっている。基礎成分演算部２６は、図示しない特性マップを用いて、車速Ｖに応じて舵角比を可変させるための制御目標値の基礎成分θtmk ^* を演算する。通例、低速走行時には、舵角比が小さくされ、高速走行時には、舵角比が大きくされる。

また、補償成分演算部２７は、ねじれ角センサとしても機能とするトルクセンサ１８からの信号を入力し、制御目標値の補償成分θtmh ^* を演算する。補償成分θtmh ^* は、例えば、ねじれ角センサ（トルクセンサ１８）により検出された、ねじれ角δと等しく設定される（θtmh ^* ＝δ）。
基礎成分演算部２６により演算された基礎成分θtmk ^* および補償成分演算部２７により演算されたθtmh ^* は、加算器２９へと入力され、加算器２９において加算される。そして、マイコン２４は、基礎成分θtmk ^* 対して、ねじれ角に相当する補償成分θtmh ^* を重畳した値に基づいて、モータ駆動に基づく第２の舵角θtmの制御目標値θtm^* （目標角）を演算する構成となっている。

このようにして演算される制御目標値θtm^* は、その制御対象である舵角比可変機構１５のＶＧＲモータ２１に設けられた回転角センサ２３により検出された実回転角θtmr とともに、モータ制御信号演算部２８に入力される。モータ制御信号演算部２８は、その制御目標値θtm^* に実回転角θtmr を追従させるべくフィードバック制御を実行する。すなわち、モータ制御信号演算部２８は、位置制御演算の実行によりモータ制御信号を生成する。

そして、マイコン２４が、そのモータ制御信号を駆動回路２５に出力し、駆動回路２５が、当該モータ制御信号に基づく駆動電力の供給を実行することにより、ＶＧＲモータ２１の回転、すなわち舵角比可変機構１５の作動が制御される構成になっている。
本実施の形態によれば、操舵部材２の操作に基づく第１舵角θtsにＶＧＲモータ２１の駆動に基づく第２舵角θtmを上乗せすることにより、舵角比（Ｒ）を可変する。

一方、舵角比可変機構１５の入力軸３ｂに入力される入力角は、操舵部材２の操作角（操舵角θs)に比して、トーションバー１７のねじれ角δの分だけ、小さくなっている（位相が遅れている）。したがって、操舵部材２の操作に基づく第１舵角θtsは、ねじれ角δの分だけ、小さくなっている（位相が遅れている）。
これに対して、車両の走行状態（操舵角θs や車速Ｖ等）に基づく基礎成分θtmk ^* に、ねじれ角センサ（本実施の形態ではトルクセンサ１８）により検出されたねじれ角δに基づく補償成分θtmh ^* を重畳して第２舵角θtmの制御目標値θtm^* を設定する。すなわち、ねじれ角δに基づく補償制御を実行することにより、ＶＧＲモータ２１の駆動に基づく第２舵角θtmの制御目標値θtm^* （目標角）の位相を早めることができる。その結果、トーションバー１７のねじれに起因する出力軸３ｃの位相（すなわち転舵輪１０の位相）の遅れを抑制することができる。したがって、応答性が良くて剛性感のある良好な操舵フィーリングを運転者に与えることができる。

また、トーションバー１７として、ねじり剛性（ばね定数）の低いものを使用することが可能となり、結果として、トルクセンサ１８による操舵トルクＴの検出精度を高くすることができる。したがって、ＥＰＳ制御部１２による精度の良い操舵補助制御が可能となり、この点からも良好な操舵フィーリングの実現に寄与することができる。
また、基礎成分θtmk ^* に重畳する補償成分θtmh ^* を、検出されたトーションバー１７のねじれ角δに等しくして第２舵角θtmの制御目標値θtm^* を演算することにより、トーションバー１７のねじれに起因する、転舵輪１０の位相の遅れを解消する効果を高くすることができる。その結果、より良好な操舵フィーリングを運転者に与えることができる。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、例えば、ＶＧＲ制御部１６において、基礎成分演算部２６を廃止し、ＶＧＲ制御部１６やＥＰＳ制御部１２の上位のＥＣＵである車両統合ＥＣＵ（図示せず）から、ＣＡＮ（Controller Area Network ）等の車載ネットワークを通して制御目標値の基礎成分θtmk ^* を入力するようにしてもよい。
また、前記実施の形態では、トルクセンサ１８をねじれ角センサとして用いたが、トルクセンサ１８とは別途にねじれ角センサを設けるようにしてもよい。

その他、本発明は、請求項記載の範囲内で種々の変更を施すことができる。

１…舵角比可変操舵装置、２…操舵部材、３…操舵軸、３ａ…第１軸、３ｂ…入力軸（第２軸）、３ｃ…出力軸（第３軸）、１０…転舵輪、１１…操舵補助機構、１２…ＥＰＳ制御部、１３…ＥＰＳモータ、１５…舵角比可変機構、１６…ＶＧＲ制御部（制御装置）、１７…トーションバー、１８…トルクセンサ（ねじれ角センサ）、１９…車速センサ、２０…差動機構、２１…ＶＧＲモータ（舵角比可変モータ）、２２…操舵角センサ、２３…回転角センサ、２６…基礎成分演算部、２７…補償成分演算部、２８…モータ制御信号演算部、Ａ…転舵機構、θs …操舵角、θt …転舵角、Ｒ…舵角比、δ…ねじれ角、Ｖ…車速、θts…第１舵角、θtm…第２舵角、θtm^* …制御目標値、θtmk ^* …基礎成分、θtmh ^* …補償成分、θtmr …実回転角

Claims (2)

1. 回転操作される操舵部材に連結される第１軸と、
   前記第１軸と連結されたトーションバーと、
   前記第１軸と前記トーションバーを介して連結された第２軸である入力軸と、
   転舵機構に連結された第３軸である出力軸と、
   前記入力軸と前記出力軸とを接続し、舵角比可変モータを含み、前記操舵部材の操作に基づく第１舵角に前記舵角比可変モータの駆動に基づく第２舵角を上乗せすることにより、前記操舵部材の操舵角と転舵輪の転舵角との比である舵角比を可変する舵角比可変機構と、
   前記トーションバーのねじれ角を検出するねじれ角センサと、
   前記舵角比を変化させる舵角比可変制御を実行し、前記舵角比可変機構の作動を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記舵角比可変制御において、車両の走行状態に基づく基礎成分に、前記ねじれ角センサにより検出されたねじれ角に基づく補償成分を重畳することにより、前記第２舵角の制御目標値を演算する舵角比可変操舵装置。
2. 請求項１において、前記制御装置は、前記補償成分を前記ねじれ角センサにより検出された前記ねじれ角に等しく設定する舵角比可変操舵装置。

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