JP6220687B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置に関するものである。

従来の電動パワーステアリング装置として、操舵アシスト用の電動モータを利用してステアリングホイールの戻し制御を行うものがある。

特許文献１には、操舵トルクがハンドル手放し状態と判断できる小さいトルク閾値以下である条件と、トルク変化率が所定のトルク変化率閾値以下である条件との２条件を同時に満足したときに、ハンドル戻し制御を実行することによってハンドルの戻しを滑らかに行ない運転者に違和感を与えないようにする電動パワーステアリング装置が開示されている。

特開２００７−３２０３８３号公報

ステアリングホイールの戻し制御が行なわれる電動パワーステアリング装置において、車両走行時にステアリングホイールを切った状態から操舵トルクを開放した場合には、直進状態に戻ろうとするセルフアライニングトルクと戻し制御による戻ろうとする力とによって、トーションバーの上方側となるステアリングホイールの中立位置へ戻る速度が速くなる。これにより、ステアリングホイールは、その慣性によってトーションバーの下側となる車輪側を追い越してしまい、トーションバーは操舵トルクの開放直後とは逆方向に捻れてしまう。

ステアリングホイールが中立位置へ戻る過程で、トーションバーが操舵トルクの開放直後とは逆方向に捻れると、トーションバーはその弾性力によって、さらに逆方向、つまり操舵トルクの開放直後と同方向に捻れる。このように、ステアリングホイールが中立位置へ戻る過程で、トーションバーが操舵トルクの開放直後とは逆方向に捻れてしまうと、トーションバーは捻れを繰り返す。トーションバーが捻れを繰り返すと、電動モータが出力するアシスト力が安定しないため、ステアリングホイールは滑らかに中立位置へ戻らない。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ステアリングホイールを滑らかに中立位置に戻すことが可能な戻し制御を実現することを目的とする。

本発明は、ステアリングホイールから入力される操舵トルクを検出するトルクセンサの検出結果に基づいて演算されるアシスト指令値によって電動モータを駆動し、ドライバによる前記ステアリングホイールの操舵を補助する電動パワーステアリング装置であって、前記ステアリングホイールの操舵角に基づいて、前記ステアリングホイールを中立位置へ戻す方向の基本戻し指令値を演算する基本戻し指令値演算部と、前記電動パワーステアリング装置が搭載される車両の車速に基づいて、前記基本戻し指令値を補正する第１補正ゲインを演算する第１補正ゲイン演算部と、前記基本戻し指令値を前記第１補正ゲインにて補正して戻し指令値を演算する戻し指令値演算部と、前記電動モータの角加速度に基づいて、前記ステアリングホイールを中立位置へ戻さない方向の反戻し指令値を演算する反戻し指令値演算部と、前記戻し指令値と前記反戻し指令値とに基づいて補正戻し指令値を演算し、当該補正戻し指令値を前記アシスト指令値に加算して前記電動モータを駆動することを特徴とする。

本発明によれば、電動モータの角加速度に基づいて演算されたステアリングホイールを中立位置へ戻さない方向の反戻し指令補と戻し指令値とに基づいて補正戻し指令値を演算し、その補正戻し指令値をアシスト指令値に加算して電動モータを駆動するため、ステアリングホイールを切った状態から開放した直後における電動モータの角加速度の変化を抑えることができる。したがって、ステアリングホイールが中立位置に戻る過程で、トーションバーが逆方向に捻れることが防止されるため、ステアリングホイールを滑らかに中立位置へ戻すことができる。

本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成図である。 本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の制御ブロック図である。 基本戻し電流を演算するための基本戻し電流演算用マップ図である。 第１補正ゲインを演算するための第１補正マップ図である。 反戻し電流を演算するための反戻し電流演算用マップ図である。 本発明の実施形態の変形例に係る電動パワーステアリング装置の制御ブロック図である。 第２補正ゲインを演算するための第２補正マップ図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

まず、図１を参照して、本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置１００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１００は、ドライバによるステアリングホイール１の操作に伴って回転する入力シャフト７と、下端がラック軸５に連係する出力シャフト３と、入力シャフト７と出力シャフト３を連結するトーションバー４と、を備える。電動パワーステアリング装置１００は、出力シャフト３の下端に設けられるピニオン３ａと噛み合うラック軸５を軸方向に移動させることによって車輪６を転舵するものである。入力シャフト７と出力シャフト３とによってステアリングシャフト２が構成される。

電動パワーステアリング装置１００はさらに、ドライバによるステアリングホイール１の操舵を補助するための動力源である電動モータ１０と、電動モータ１０の回転をステアリングシャフト２に減速して伝達する減速機１１と、ステアリングホイール１から入力される操舵トルクを検出するトルクセンサ１２と、トルクセンサ１２の検出結果に基づいて電動モータ１０の駆動を制御するコントローラ１３と、を備える。

電動モータ１０には、モータの回転角を検出する角度検出器１７が設けられる。角度検出器１７の検出結果は、コントローラ１３へ出力される。

減速機１１は、電動モータ１０の出力軸に連結されるウォームシャフト１１ａと、出力シャフト３に連結されウォームシャフト１１ａに噛み合うウォームホイール１１ｂと、からなる。電動モータ１０が出力するトルクは、ウォームシャフト１１ａからウォームホイール１１ｂに伝達されて出力シャフト３に補助トルクとして付与される。

トルクセンサ１２は、トーションバー４に付与される操舵トルクを入力シャフト７と出力シャフト３の相対回転に基づいて検出するものである。トルクセンサ１２は、検出した操舵トルクに対応する電圧信号をコントローラ１３に出力する。コントローラ１３は、トルクセンサ１２からの電圧信号に基づいて電動モータ１０が出力するトルクを演算し、そのトルクが発生するように電動モータ１０の駆動を制御する。このように、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１から入力される操舵トルクを検出するトルクセンサ１２の検出結果に基づいて電動モータ１０を駆動し、ドライバによるステアリングホイール１の操舵を補助するものである。

ステアリングシャフト２には、ステアリングホイール１の操舵角（絶対操舵角）を検出する操舵角検出器としての操舵角センサ１５が設けられる。操舵角センサ１５の検出結果はコントローラ１３に出力される。操舵角センサ１５は、ステアリングホイール１が中立位置の場合には操舵角としてゼロ度を出力する。また、ステアリングホイール１が中立位置から右切り方向に操舵される場合には、ステアリングホイール１の回転に応じて＋の符号の操舵角を出力する一方、ステアリングホイール１が中立位置から左切り方向に操舵される場合には、ステアリングホイール１の回転に応じて−の符号の操舵角を出力する。

コントローラ１３には、車速を検出する車速検出器としての車速センサ１６の検出結果が入力される。

コントローラ１３は、電動モータ１０の動作を制御するＣＰＵと、ＣＰＵの処理動作に必要な制御プログラムや設定値等が記憶されたＲＯＭと、トルクセンサ１２、角度検出器１７、操舵角センサ１５、及び車速センサ１６等の各種センサが検出した情報を一時的に記憶するＲＡＭと、を備える。

車両走行時には、車輪６には直進状態に戻ろうとするセルフアライニングトルクが働く。このセルフアライニングトルクは、高速走行時には大きいのに対して低速走行時には小さい。セルフアライニングトルクが小さい低速域では、ウォームシャフト１１ａとウォームホイール１１ｂ等のステアリング系のギヤのフリクションによってステアリングホイール１の中立位置への戻り性が悪化する。したがって、低速走行時では、ステアリングホイール１を切った状態から開放しても、ステアリングホイール１が中立位置へと戻りきらない場合がある。そこで、電動パワーステアリング装置１００では、低速域でもステアリングホイール１の中立位置への戻り性を向上させる戻し制御が行われる。

次に、図２〜６を参照して、コントローラ１３による電動モータ１０の制御について説明する。

図２に示すように、コントローラ１３は、トルクセンサ１２の検出結果に基づいて、ドライバによるステアリングホイール１の操舵を補助するものためのアシストベース電流（アシスト指令値）を演算するベース電流演算部１９を有する。

コントローラ１３はさらに、ステアリングホイール１を中立位置へ戻す方向の基本戻し電流（基本戻し指令値）を演算する基本戻し電流演算部（基本戻し指令値演算部）２０と、基本戻し電流を補正する第１補正ゲインを演算する第１補正ゲイン演算部２１と、基本戻し電流と第１補正ゲインを乗算して戻し電流（戻し指令値）を演算する戻し指令値演算部としての乗算器２４と、を有する。

コントローラ１３はさらに、角度検出器１７によって検出された回転角から電動モータ１０の角加速度を演算するモータ角加速度演算部４０と、ステアリングホイール１を中立位置へ戻さない方向の反戻し電流を演算する反戻し電流演算部（反戻し指令値演算部）４１と、を有する。

コントローラ１３はさらに、乗算器２４にて演算された戻し電流と反戻し電流演算部４１にて演算された反戻し電流とを加算して補正戻し電流（補正戻し指令値）を演算する加算器４６を有し、補正戻し電流は、加算器２５にてアシストベース電流に加算される。

加算器２５では、アシストベース電流と補正戻し電流の他に、ギヤのフリクション等を補償する各種補償電流も加算され、電動モータ１０の駆動を制御する制御電流として電動モータ１０に出力される。

以上のように、電動モータ１０は、ステアリングホイール１を中立位置へ戻す方向の戻し電流とステアリングホイール１を中立位置へ戻さない方向の反戻し電流とを加算した補正戻し電流を、ドライバによるステアリングホイール１の操舵を補助するものためのアシストベース電流に加算することによって得られる制御電流にて制御される。

以下では、戻し制御について説明する。

まず、図２〜４を参照して、戻し電流の演算方法について詳しく説明する。

基本戻し電流演算部２０は、操舵角センサ１５の検出結果に基づいて、ステアリングホイール１を中立位置へ戻す方向の基本戻し電流を演算するものである。具体的には、図３に示す基本戻し電流演算用マップを参照して、操舵角センサ１５から入力された操舵角に対応する基本戻し電流を演算する。基本戻し電流は、戻し制御の基本となる電流である。

図３に示す基本戻し電流演算用マップは、操舵角と基本戻し電流との関係を規定したマップであり、横軸が操舵角であり、縦軸が基本戻し電流である。横軸の＋側は中立位置から右切り側の操舵角を示し、−側は中立位置から左切り側の操舵角を示す。また、縦軸の＋側はステアリングホイール１が右回転する方向へアシストする基本戻し電流を示し、−側はステアリングホイール１が左回転する方向へアシストする基本戻し電流を示す。基本戻し電流演算用マップの特性は、図３からわかるように、操舵角が右切り側である場合には、基本戻し電流はステアリングホイール１が左回転する方向へアシストする値となり、操舵角が左切り側である場合には、基本戻し電流はステアリングホイール１が右回転する方向へアシストする値となる。このように、基本戻し電流は、ステアリングホイール１を中立位置へ戻す方向の電流となる。

図３に示す基本戻し電流演算用マップを詳しく説明する。ステアリングホイール１の中立位置近傍では、基本戻し電流がゼロとなる不感帯に設定される。これは、操舵角センサ１５の検出誤差に起因する外乱の発生を防ぐためである。操舵角の絶対値が不感帯よりも大きくなると、基本戻し電流の絶対値は所定の傾きで大きくなる。この傾きを調整することによって、ステアリングホイール１が中立位置へ戻る際のドライバが感じる戻り感を変化させることができる。傾きを大きく設定するほど戻り感が大きくなる。操舵角の絶対値が所定値ａ°以上の範囲では基本戻し電流がゼロに設定される。これは、基本戻し電流は、ステアリングホイール１の切り込み時にはドライバによる操舵力を増大させるように作用するものであるため、中立位置付近でのみ基本戻し電流が作用し、ステアリングホイール１を大きく切り込んだ際には基本戻し電流が作用しないようにするためである。また、ステアリングホイール１を大きく切り込んで戻す際の急な戻りを抑えるためである。

第１補正ゲイン演算部２１は、車速センサ１６の検出結果に基づいて、基本戻し電流を補正する第１補正ゲインを演算するものである。具体的には、図４に示す第１補正マップを参照して、車速センサ１６から入力された車速に対応する第１補正ゲインを演算する。セルフアライニングトルクは車速に応じて変化するため、車速に応じて変化する第１補正ゲインにて基本戻し電流を補正する。

図４に示す第１補正マップは、車速と第１補正ゲインとの関係を規定したマップであり、横軸が車速であり、縦軸が第１補正ゲインである。第１補正ゲインは全車速域で１．０以下に設定される。つまり、第１補正ゲインは基本戻し電流を減らす値となる。セルフアライニングトルクは高速走行時には大きく低速走行時には小さいため、図４に示すように、第１補正ゲインは、車速がｂ〜ｃ km/hの低速域では１．０に設定され、車速がｃ km/h以上の中高速域では車速が大きいほど小さい値に設定され、所定速度d km/h以上でゼロに設定される。また、車速がb km/h以下の微低速域では、車速が小さいほど小さい値に設定される。このように所定の傾きで第１補正ゲインが小さくなるように設定したのは、停車状態となり第１補正ゲインがゼロとなる際に生じる操舵の違和感を軽減するためである。

基本戻し電流演算部２０にて演算された基本戻し電流と第１補正ゲイン演算部２１にて演算された第１補正ゲインとは乗算器２４にて乗算された後、ローパスフィルタ３１及び上下限値リミッタ３２にて処理され、戻し電流として加算器４６に出力される。

以上のように、ステアリングホイール１を中立位置へ戻す方向の基本戻し電流を第１補正ゲインにて補正することによって得られる戻し電流は、低速域では大きな値に設定され、中高速域では車速が大きくなるほど小さい値に設定される。

次に、図２及び５を参照して、反戻し電流の演算方法について詳しく説明する。

反戻し電流演算部４１は、モータ角加速度演算部４０にて演算されたモータ角加速度に基づいて、ステアリングホイール１を中立位置へ戻さない方向の反戻し電流を演算するものである。具体的には、図５に示す反戻し電流演算用マップを参照して、モータ角加速度演算部４０から入力されたモータ角加速度に対応する反戻し電流を演算する。

図５に示す反戻し電流演算用マップは、電動モータ１０の角加速度と反戻し電流との関係を規定したマップであり、横軸が電動モータ１０の角加速度であり、縦軸が反戻し電流である。横軸の＋側はステアリングホイール１が右回り（時計回り）に回転している際の電動モータ１０の角加速度を示し、−側はステアリングホイール１が左周り（反時計回り）に回転している際の電動モータ１０の角加速度を示す。また、縦軸の＋側はステアリングホイール１を右回りに回転させる方向の反戻し電流を示し、−側はステアリングホイール１を左回りに回転させる方向の反戻し電流を示す。反戻し電流演算用マップの特性は、図５からわかるように、ステアリングホイール１が右回りに回転している際には、反戻し電流はステアリングホイール１を左回りに回転させる方向の値となり、ステアリングホイール１が左回りに回転している際には、反戻し電流はステアリングホイール１を右回りに回転させる方向の値となる。このように、反戻し電流は、ステアリングホイール１を中立位置へ戻さない方向の電流となる。

図５に示す反戻し電流演算用マップを詳しく説明する。電動モータ１０の角加速度の絶対値が大きくなると、反戻し電流の絶対値は所定の傾きで大きくなる。つまり、電動モータ１０の角加速度の絶対値が大きいほど、反戻し電流の絶対値が大きくなるように設定される。しかし、電動モータ１０の角加速度の絶対値が所定値ｅ rev/s2以上では、反戻し電流は一定の値に設定される。これは、反戻し電流の値が大きくなり過ぎると、戻り制御が安定しなくなるためである。なお、電動モータ１０の角加速度の符号が変化する領域に不感帯を設定するようにしてもよい。不感帯を設定することによって、電動モータ１０の角加速度の誤差に起因する外乱の発生を防ぐことができる。

反戻し電流演算部４１にて反戻し電流演算用マップを参照して反戻し電流を演算する際には、モータ角加速度の移動平均値を用いるのが望ましい。移動平均値を用いることによって、反戻し電流演算部４１に入力されるモータ角加速度の値が滑らかな値となるため、より安定した制御が実現される。

反戻し電流演算部４１にて演算された反戻し電流は、ローパスフィルタ４４及び上下限値リミッタ４５にて処理され、加算器４６に出力される。加算器４６では、乗算器２４から出力された戻し電流と反戻し電流演算部４１から出力された反戻し電流とが加算されて補正戻し電流が演算される。加算器４６から出力された補正戻し電流は、加算器２５にてアシストベース電流に加算される。

以下に、本実施形態の作用効果について説明する。

低速走行時では、ステアリングホイール１を切った状態から開放しても、ステアリングホイール１が中立位置へと戻りきらない場合がある。そこで、アシストベース電流に戻し電流が加算される。戻し電流は、基本戻し電流を補正する第１補正ゲインの特性によって、低速域では大きな値に設定される。よって、低速走行時におけるステアリングホイール１の中立位置への戻り性が改善される。

しかし、低速走行時における戻し電流を大きな値に設定した結果として、低速走行時にステアリングホイール１を切った状態から開放した場合には、操舵トルクの開放直後は、トーションバー４の下方側である出力シャフト３側（車輪６側）には直進状態に戻ろうとするセルフアライニングトルクと戻し制御によるモータアシストトルクとが重畳して働く。一方、トーションバー４の上方側である入力シャフト７側（ステアリングホイール１側）は、ステアリングホイール１から入力シャフト７までのフリクションとハンドル慣性が働くため、トーションバー４の下方側に遅れて中立位置へ戻り始める場合がある。しかし、遅れて戻り始めた後、ステアリングホイール１の慣性によってトーションバー４の上方側の中立位置へ戻る速度が加速し、トーションバー４の上方側がトーションバー４の下方側を追い越してしまう。ステアリングホイール１側が車輪６側を追い越すと、トーションバー４は操舵トルクの開放直後とは逆方向に捻れ、ベース電流演算部１９にてステアリングホイール１が中立位置へ戻る方向のアシストベース電流が演算される。これにより、戻し電流とアシストベース電流が重畳されてモータアシストトルクが強まり、ステアリングホイール１の中立位置へ戻る速度がさらに加速される。

トーションバー４がある一定以上捻れると、トーションバー４はその弾性力によって逆方向、つまり操舵トルクの開放直後と同方向に捻れ、ベース電流演算部１９にてステアリングホイール１が中立位置へ戻らない方向のアシストベース電流が演算される。これにより、戻し電流が減算されるため、モータアシストトルクが弱まり、ステアリングホイール１が中立位置へ戻る速度が減速する。このように、ステアリングホイール１を切った状態から開放した場合に、戻し制御による戻し力が強い場合には、ステアリングホイール１の慣性力が大きくなるため、トーションバー４は捻れが促進されて逆方向と正方向の捻れを繰り返す。さらに、その捻れによって、トーションバー４の捻れが促進される方向にアシストベース電流が演算されるため、ステアリングホイール１の戻り速度が増減し、ステアリングホイール１は滑らかに中立位置へ戻らない。

しかし、本実施形態では、戻し電流として、モータ角加速度に基づいて演算されるステアリングホイール１を中立位置へ戻さない方向の反戻し電流にて補正された補正戻し電流が用いられる。反戻し電流は、電動モータ１０の角加速度の絶対値が大きいほど、絶対値が大きくなるように設定される。つまり、反戻し電流は、電動モータ１０の角加速度を抑えるように戻し電流を補正することになる。

したがって、低速走行時にステアリングホイール１を切った状態から開放した直後における電動モータ１０の角加速度が大きくなる際には、電動モータ１０はモータ角加速度の変化が抑えられるように制御される。これにより、遅れて中立位置へ戻り始めるステアリングホイール１側が慣性によって車輪６側を追い越すこと防止されるため、トーションバー４が逆方向への捻れを繰り返すことが防止される。したがって、電動モータ１０に出力される制御電流が安定し、ステアリングホイール１は滑らかに中立位置へ戻る。

以下に、上記実施形態の変形例について説明する。

図６に示すように、コントローラ１３に、反戻し電流を補正する第２補正ゲインを演算する第２補正ゲイン演算部４２を設けるようにしてもよい。

第２補正ゲイン演算部４２は、車速センサ１６の検出結果に基づいて、反戻し電流を補正する第２補正ゲインを演算するものである。具体的には、図７に示す第２補正マップを参照して、車速センサ１６から入力された車速に対応する第２補正ゲインを演算する。第２補正マップは、図４に示す第１補正マップと同一であるため、説明を省略する。

反戻し電流演算部４１にて演算された反戻し電流と第２補正ゲイン演算部４２にて演算された第２補正ゲインとは、乗算器４３にて乗算されて加算器４６に出力される。

反戻し電流は、セルフアライニングトルクと戻し電流との作用によって電動モータ１０の角加速度の変化が大きくなる際に必要とするものであり、特には低速域に必要とするものである。第２補正ゲインにて反戻し電流を補正することによって、低速域でのみ反戻し電流が作用するようにすることができ、微低速域や中高速域では反戻し電流を作用させずに操舵フィーリングの悪化を防止できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

１００ 電動パワーステアリング装置
１ ステアリングホイール
４ トーションバー
１０ 電動モータ
１３ コントローラ
１６ 車速センサ
１７ 角度検出器
２０ 基本戻し電流演算部（基本戻し指令値演算部）
２１ 第１補正ゲイン演算部
４０ モータ角加速度演算部
４１ 反戻し電流演算部（反戻し指令値演算部）
４２ 第２補正ゲイン演算部

Claims (5)

1. ステアリングホイールから入力される操舵トルクを検出するトルクセンサの検出結果に基づいて演算されるアシスト指令値によって電動モータを駆動し、ドライバによる前記ステアリングホイールの操舵を補助する電動パワーステアリング装置であって、
   前記ステアリングホイールの操舵角に基づいて、前記ステアリングホイールを中立位置へ戻す方向の基本戻し指令値を演算する基本戻し指令値演算部と、
   前記電動パワーステアリング装置が搭載される車両の車速に基づいて、前記基本戻し指令値を補正する第１補正ゲインを演算する第１補正ゲイン演算部と、
   前記基本戻し指令値を前記第１補正ゲインにて補正して戻し指令値を演算する戻し指令値演算部と、
   前記電動モータの角加速度に基づいて、前記ステアリングホイールを中立位置へ戻さない方向の反戻し指令値を演算する反戻し指令値演算部と、を備え、
   前記戻し指令値と前記反戻し指令値とに基づいて補正戻し指令値を演算し、当該補正戻し指令値を前記アシスト指令値に加算して前記電動モータを駆動することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記反戻し指令値演算部には、前記電動モータの角加速度と前記反戻し指令値との関係が規定されたマップが記憶され、
   前記マップは、前記ステアリングホイールが右回りに回転している際には、前記反戻し指令値は前記ステアリングホイールを左回りに回転させる方向の値となる一方、前記ステアリングホイールが左回りに回転している際には、前記反戻し指令値は前記ステアリングホイールを右回りに回転させる方向の値となる特性に設定されることを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記マップは、前記電動モータの角加速度の絶対値が大きいほど前記反戻し指令値の絶対値が大きくなるように設定されることを特徴とする請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記電動パワーステアリング装置が搭載される車両の車速に基づいて、前記反戻し指令値を補正する第２補正ゲインを演算する第２補正ゲイン演算部をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記第２補正ゲインは、低速域では１．０の一定値に設定され、中高速域では車速が大きいほど小さい値に設定されることを特徴とする請求項４に記載の電動パワーステアリング装置。

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