JP2006008055A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロックエンド付近等で必要とされる操舵補助トルクを低い値に抑えて、電動モータの小型化、低出力化を可能にする。
【解決手段】 操舵部材１の操作に応じて電動モータ５を駆動して操舵補助する電動パワーステアリング装置であって、操向用車輪１２の操舵角を検出する手段１６と、各車輪に対して車体の高さを調整する車高調整手段（アクティブサスペンション１３）とを備え、操向用車輪１２の操舵角が所定の範囲に含まれる場合には、車高調整制御手段（マイクロコンピュータ１４）により、車高調整手段１３の一部もしくは全部を駆動して車高を調整する制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハンドル等の操舵部材の操作に応じて電動モータを駆動して運転者の操舵力を補助するようにした電動パワーステアリング装置に関する。

電動パワーステアリング装置は、一般に、各種センサ（操舵部材に加わる操舵トルクを検出するトルクセンサや、車速を検出する車速センサ等）と、操舵補助用の電動モータと、この電動モータの回転を減速して操舵軸等に伝達する減速機構と、各種センサからのセンサ信号に基づいてモータ駆動回路へのモータ電流指令値を演算して該電動モータを駆動制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）とを備え、該ＥＣＵの制御指令により電動モータを駆動制御して操舵補助トルクをステアリング機構に付加して運転者の操舵力を軽減するようになっている（特許文献１参照）。

ところで、上記のような電動パワーステアリング装置においては、ハンドルを切って操向用車輪の向きを一方に変えていった場合、ロックエンド（操向車輪の操舵角度の限界）に近いほど、大きな操舵補助トルクをステアリング機構に付加するようになっている。これは、操向用車輪の操舵角が大きくなるほど、操舵に対する抵抗が増すからである。

このことを、図６を参照して説明すると、図６は、操向用車輪の動きを模式的に示す説明図である。

自動車の操向用車輪Ｗには、通常、上開きのキャンバー角αが設定されていて、これに対して、操向用車輪Ｗの旋回中心となるべきキングピン軸Ｐには、前方から見れば下開きのキングピン傾斜（角度β）が設定されている。そして、操向用車輪Ｗは、操舵に伴い図示の中立位置から、キングピン軸Ｐを中心軸とする円すいの表面に外接して運動する。図からも分るように、操向用車輪Ｗの中心Ｗｏはキングピン軸Ｐの周りを旋回移動するから、操向用車輪Ｗは中立位置から離れるほど、低い位置に移動する。実際には、操向用車輪Ｗが接する路面Ｓの高さは変わらないから、操向用車輪Ｗの高さは変わらず、この操向用車輪Ｗを介して車体が押し上げられる。このため、操向用車輪Ｗの接地圧が増大するなどして、操舵に対する抵抗が増える。

また、操向用車輪Ｗは、中立位置からの操舵角が大きくなるほど、路面Ｓに向けての傾斜角度が大きくなって倒れ量が増すので、路面Ｓとの接地面積が増えて、この点からも操舵に対する抵抗が増す。

しかも、左右の操向用車輪Ｗ，Ｗにおいて、旋回内側の車輪の切れ角は、旋回外側の車輪の切れ角より大きいから、旋回内側の車輪の方が旋回外側の車輪よりも大きく傾いて、旋回内側の車輪が同側で車体をより高く押し上げる。したがって、左右の操向用車輪Ｗ，Ｗのうち、旋回内側の車輪で生じる操舵に対する抵抗は、他の側の車輪の操舵に対する抵抗より大きくなる。

上記したように、ロックエンド付近で生じる操舵に対する抵抗が大きければ、これに合わせて、必要とする操舵補助トルクを大きな値に設定しなければならず、大型で高出力の電動モータや、減速比の大きい減速機が必要となる。これではコストが嵩み、装置も大型化する。また、高出力の電動モータを使用すれば発熱量が増し、その発熱量に応じた熱設計が必要となり、設計に対する負担が増す。
特開平６−５６０４５号公報

本発明は、ロックエンド付近等で必要とされる操舵補助トルクを低い値に抑えて、電動モータの小型化、低出力化を可能にすることを課題とする。

本発明による電動パワーステアリング装置は、操舵部材の操作に応じて電動モータを駆動して操舵補助する電動パワーステアリング装置であって、操向用車輪の操舵角を検出する手段と、各車輪に対して車体の高さを調整する車高調整手段と、操向用車輪の操舵角が所定の範囲に含まれる場合に一部もしくは全部の車高調整手段を駆動して車高を調整する制御を行う車高調整制御手段とを備えたことを特徴とするものである。

上記構成の電動パワーステアリング装置では、操向用車輪の操舵角度が所定の範囲、たとえばロックエンド（操舵角度の限界）に近い角度範囲に含まれるようになると、各車輪に設けられている車高調整手段の一部もしくは全部が駆動されて、車体の各部の高さが調整される。

本発明では、上記のように操向用車輪の操舵に関連して車高調整がなされるが、このような車高調整がなされない従来の場合では、操舵された操向用車輪により車体の当該車輪に対応する部分が押し上げられることになって、操向用車輪の操舵に対する抵抗が増大する。これに対して、本発明では、操向用車輪に対応する個所で車体の高さが低く調整される等して、操向用車輪の接地圧の増大が抑制され、操向用車輪の操舵に対する抵抗が低い値に抑えられる。そのため、必要とする操舵補助トルクは少なくて済む。

なお、車高調整は、車体の前部と後部とで行うようにしてもよいが、操向用車輪が設けられている車体の前部において、操向用車輪の操舵の向きに応じて旋回内側の車輪の側に設けられている車高調整手段は、旋回外側の車輪の側に設けられている車高調整手段よりも相対的に車高を低く調整するよう設定されていることが望ましい。なお、上記相対的な車高調整は、左右の車高調整手段のうち、少なくとも一方を調整するようにして行ってもよい。

左右の操向用車輪において、旋回内側の車輪の切れ角は、旋回外側の車輪の切れ角より大きいから、旋回内側の車輪は、旋回外側の車輪よりも車体を高く押し上げることになるが、上記のように設定されていると、車体の旋回内側の部分は低く、車体の旋回外側の部分は高く、それぞれ車高調整される。これで、旋回内側の操向用車輪にのみ過大な接地圧が作用することがなくなり、左右の操向用車輪にかかる操舵に対する抵抗を均等化して、必要とする操舵補助トルクを減少させることができる。

本発明によれば、ロックエンド付近等で必要とされる操舵補助トルクが低い値に抑えられ、電動モータの小型化、低出力化が可能となり、また、電動モータの小型化に伴い、発生熱量が減少し、熱設計の負担が減少する。

以下、添付図面を参照して、本発明の最良の形態に係る電動パワーステアリング装置を詳細に説明する。図１は、同電動パワーステアリング装置を、それに関連する車両構成とともに示す構成図である。

図１を参照して、本形態の電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイール（ハンドル）等の操舵部材１に一端が固着された操舵軸２と、この操舵軸２に加えられる運転者の操舵トルクを検出するトルクセンサ３と、操舵軸２の他端に連結された、ラックピニオン機構等からなるステアリング機構４と、操舵部材１の操作（操舵操作）による運転者の負荷を軽減するための操舵補助トルクを発生する電動モータ５と、電動モータ５が発生する操舵補助トルクを互いに噛み合うギヤにより減速して操舵軸２に伝達する減速機構６と、車載バッテリ７からイグニッションスイッチ８を介して電源の供給を受け、電動モータ５の駆動を制御する電動パワーステアリング用電子制御ユニット（ＥＰＳ用ＥＣＵ）１０とを備えている。

上記の操舵軸２は、少なくとも操舵部材１側の部分と、ステアリング機構４側の部分とに分割されて、両部分はトーションバー９により連結されており、このトーションバー９の外周にトルクセンサ３が配置されている。ステアリング機構４の出力側には、タイロッドおよびナックルアーム等からなる連結部材１１を介して操向用の車輪１２が連結されている。

本実施形態では、各車輪に車高調整手段としてアクティブサスペンションが設けられており、このうち、図１には、操向用車輪１２，１２の側に設けられたアクティブサスペンション１３ｆａ，１３ｆｂを図示している。

上記のＥＰＳ用ＥＣＵ１０は、内部に、電動パワーステアリング制御の中心を司るマイクロコンピュータ１４と、ＣＡＮ（コントローラ・エリア・ネットワーク）コントローラ１０１を有している。ＥＰＳ用ＥＣＵ１０は、ＣＡＮコントローラ１０１を介してＣＡＮバス１５に接続され、このＣＡＮバス１５に接続されている他のＥＣＵ２０，３０，４０，５０とともに、車載用のＣＡＮ通信システムを構成している。

ＣＡＮコントローラ１０１は、データ受信処理、応答データ作成処理、データ送信処理の機能を具備したものであり、他のＥＣＵ２０，３０，４０，５０に含まれるＣＡＮコントローラ２０１，３０１，４０１，５０１とＣＡＮ通信し、当該他のＥＣＵ２０〜５０に含まれるセンサのセンサ信号を受信したり、自己のＥＣＵ１０に含まれるセンサのセンサ信号を他のＥＣＵ２０〜５０に送信することができる。ＣＡＮバス１５は、２本の通信線からなり、差動のシリアル通信が可能である。

一般に、ＣＡＮ通信システムは、車載の機器や、家電製品のような複数の機器を接続するネットワークシステムとして知られており、その伝送レートが最高１Мｂｐｓであり、従来から使用されている通信方式に比べ、非常に高速である、という特徴を備えている。また、デジタル信号を二線間の差動電圧に置き換えるシリアル通信であるため、耐ノイズ性に優れている、という特徴も備えている。

このＣＡＮ通信システムにおいて、ノードとしての各ＥＣＵ１０〜５０は、ＣＡＮバス１５が空いている限り、ＣＡＮバス１５上にセンサ信号等のデータをパケットとして通信することができる。ＣＡＮバス１５が他のＥＣＵ１０〜５０によるパケットに占有されている場合は、送出されるべきパケットは、当該ＥＣＵ１０〜５０に設けられているＣＡＮコントローラ１０１，２０１，３０１，４０１，５０１で待機する。また、複数のＥＣＵ１０〜５０が、ＣＡＮバス１５上のパケットを同時に受信することができる。

本実施形態において、ＥＰＳ用ＥＣＵ１０とともに車載用のＣＡＮ通信システムを構成している他のＥＣＵとしては、車両の旋回挙動を安定化させるＶＳＣ（登録商標）用ＥＣＵ２０や、車両の加速性、直進性、旋回安定性を確保するＴＲＣ（登録商標）用ＥＣＵ３０、車輪のロックを防止するＡＢＳ（アンチロック・ブレーキ・システム）用ＥＣＵ４０、サスペンション制御用ＥＣＵ５０等がある。このうち、ＶＳＣ用ＥＣＵ２０には、操向用車輪１２の操舵角を検出する検出手段としての舵角センサ１６が、また、ＡＢＳ用ＥＣＵ４０には各車輪の回転速度を検出する車速センサ１７が、それぞれ含まれている。上記した操向用車輪１２用のアクティブサスペンション１３ｆａ，１３ｆｂを含む各車輪のアクティブサスペンション（１３と総称）は、サスペンション制御用ＥＣＵ５０に制御されるようになっている。

上記電動パワーステアリング装置を搭載した車両において、通常は、運転者が操舵部材１を操作すると、その操作による操舵トルクはトルクセンサ３により検出される。ＥＰＳ用ＥＣＵ１０は、トルクセンサ３により検出された操舵トルクの情報と、ＣＡＮ通信により取り込んだ車速センサ１７の車速情報とに基づいて、電動モータ５を駆動制御する。これにより、電動モータ５は操舵補助トルクを発生し、この操舵補助トルクが減速機構６を介して操舵軸２に加えられることにより、操舵操作を行う運転者の負担が軽減される。

ところで、一般の電動パワーステアリング装置では、操舵部材１を操作して操向用車輪１２の向きをいずれか一方に変えていった場合、操向用車輪１２は、そのジオメトリー（幾何学的な配置）により、ロックエンド（操舵角度の限界）に近いほど、操舵に対する抵抗が増し、大きな操舵補助トルクを必要とするようになっているが、本発明では、操向用車輪１２のロックエンド付近での操舵に対する抵抗の増大を抑え、必要とする操舵補助トルクを低い値に抑制しうるようになっている。

そのための構成と機能とを、図２ないし図４を参照して説明する。図２は、ＥＰＳ用ＥＣＵ１０内部の構成を、関係する部分の構成とともに示すブロック回路図、図３は、ＥＰＳ用ＥＣＵ１０のマイクロコンピュータ１４の機能を示す機能ブロック図、図４は、車高調整手段であるアクティブサスペンションの断面図で、関係する回路部分を併せて示している。

図２を参照して、ＥＰＳ用ＥＣＵ１０は、前記したマイクロコンピュータ１４とＣＡＮコントローラ１０１とのほかに、トルクセンサ３のセンサ信号を処理する入力インタフェース１８と、マイクロコンピュータ１４からの制御信号に応答して電動モータ５を駆動するモータ駆動回路１９と、モータ駆動回路１９以外の回路、例えばマイクロコンピュータ１４等に電源を供給する電源回路２１とを備えている。

上記モータ駆動回路１９の周辺には、当該モータ駆動回路１９への電流をオン・オフするフェイルセーフリレー２２と、このフェイルセーフリレー２２のリレー駆動回路２３とが設けられている。

マイクロコンピュータ１４は、ＣＰＵ１４１と、プログラムメモリ１４２と、マップメモリ１４３と、バッファメモリ１４４とを含んでおり、電動モータ５の駆動量を示す制御信号Ｓａを出力するほか、車高調整のためのアクティブサスペンション１３の伸縮駆動量を示す車高調整信号Ｓｂを出力する。車高調整信号Ｓｂは、ＣＡＮコントローラ１０１を介してサスペンション制御用ＥＣＵ５０に与えられる。サスペンション制御用ＥＣＵ５０は、車高調整信号Ｓｂに応答して、各車輪のアクティブサスペンション１３（１３ｆａ，１３ｆｂ，１３ｒａ，１３ｒｂ）の伸縮動作を制御する。

上記のマイクロコンピュータ１４のＣＰＵ１４１の機能と、マップメモリ１４３の記憶内容とを、図３を参照して説明すると、ＣＰＵ１４１は、本実施形態では、トルクセンサ３からの操舵トルクの情報と、車速センサ１７からの車速情報とに基づいて電動モータ５の駆動量を決定する制御手段１４１ａとして機能するほか、操舵操作に関連してアクティブサスペンション１３の一部もしくは全部を駆動して車高調整を行う車高調整制御手段１４１ｂとしても機能する。

プログラムメモリ１４２は、ＣＰＵ１４１の動作の実行のための基本プログラムや、本形態の電動モータ５の駆動制御の実行に必要なプログラムを格納している。バッファメモリ１４４は、ＣＰＵ１４１の作業の実行時にデータの一時的な格納に用いる。

マップメモリ１４３は、本形態の電動モータ５の駆動制御の実行に必要な制御マップ１４３ａと、操舵操作に関連して行うアクティブサスペンション１３による車高調整制御に必要な車高調整マップ１４３ｂとを格納している。

制御マップ１４３ａは、操舵軸２に加わる操舵トルクと電動モータ５の駆動量との関係を示すもので、車速（ｋｍ／ｈ）をパラメータとして、各車速毎に（たとえば、０ｋｍ／ｈ、１０ｋｍ／ｈ、６０ｋｍ／ｈ、１００ｋｍ／ｈ、１８０ｋｍ／ｈ等の各車速毎に）、操舵トルクに対する電動モータ５の駆動量が割り出せるようになっている。

車高調整マップ１４３ｂは、操向用車輪１２の操舵角と、アクティブサスペンション１３の伸縮駆動量との関係を示すもので、車速をパラメータとして、各車速毎に、操向用車輪１２の操舵角に対するアクティブサスペンション１３の伸縮駆動量が割り出せるようになっている。この伸縮駆動量を示す車高調整信号Ｓｂは、ＣＰＵ１４１の車高調整制御手段１４１ｂから、ＥＰＳ用ＥＣＵ１０のＣＡＮコントローラ１０１を介してサスペンション制御用ＥＣＵ５０に送られるほか、減算手段１４１ｃに与えられ、この減算手段１４１ｃにおいて、制御手段１４１ａにより制御マップ１４３ａを参照して決定された駆動量から減算される。したがって、操舵操作に関連してアクティブサスペンション１３により車高調整が行われた場合、その車高調整に応じて電動モータ５の駆動量が減少するようになっている。

図４を参照して、車高調整手段であるアクティブサスペンション１３の構成を説明する。本実施形態のアクティブサスペンション１３は油圧式で、パワーシリンダ１３１と、このパワーシリンダ１３１のピストンロッド１３２の周りに設けられたコイルバネ１３４とを含んでいる。パワーシリンダ１３１の内部でピストン１３３との間に形成される油圧室１３５には、パワーシリンダ１３１の圧油孔１３１ａを通じて、ソレノイド２４ｆａ駆動の切換え弁２５ｆａを介して圧油が供給される。切換え弁２５ｆａには、オイルポンプ２６とリザーバ２７とを含む油圧供給回路２８が接続されている。

図４では、各車輪に設けられている４つのアクティブサスペンション１３（１３ｆａ，１３ｆｂ，１３ｒａ，１３ｒｂ）のうち、１個のアクティブサスペンション１３ｆａの断面構造を示しているが、この構造は、他のアクティブサスペンション１３ｆｂ，１３ｒａ，１３ｒｂでも同一である。他のアクティブサスペンション１３ｆｂ，１３ｒａ，１３ｒｂについても、それぞれソレノイド２４ｆｂ，２４ｒａ，２４ｒｂ駆動の切換え弁２５ｆｂ，２５ｒａ，２５ｒｂを有する管路が接続されており、各管路の切換え弁２５ｆｂ，２５ｒａ，２５ｒｂには、上記した油圧供給回路２８が接続されている。各アクティブサスペンション１３（１３ｆａ，１３ｆｂ，１３ｒａ，１３ｒｂ）は、それに付設された切換え弁２５ｆａ，２５ｆｂ，２５ｒａ，２５ｒｂ（２５と総称）のソレノイド２４ｆａ，２４ｆｂ，２４ｒａ，２４ｒｂ（２４と総称）が、サスペンション制御用ＥＣＵ５０の制御により駆動することで、各別に伸縮する。

上記のアクティブサスペンション１３に圧油を供給するオイルポンプ２６は、エンジンによって駆動されるものでも、操舵補助用の電動モータ５とは別の電動モータで駆動されるものであってもよく、また、操舵補助用の電動モータ５の動力を利用することも可能で、駆動源は特に問わない。本実施形態の油圧式のアクティブサスペンション１３に替えて、エアもしくはその他のガスで伸縮駆動するアクティブサスペンションを用いることができる。

次に、図５のフローチャートを参照して、ＥＰＳ用ＥＣＵ１０のマイクロコンピュータ３２が、操舵操作に関連して車高調整を行う場合の動作を説明する。

ステップＳ１からステップＳ３までのルーチンは、操舵補助のための電動モータ５の駆動量を決定するルーチンである。ステップＳ１において、ＣＰＵ１４１は、トルクセンサ３から操舵トルクの情報を取り込み、次のステップＳ２では、車速センサ１７から得られる車速の情報を取り込み、ステップＳ３で、操舵トルクの情報と車速の情報とにより、マップメモリ１４３の制御マップ１４３ａを参照して、電動モータ５の駆動量を決定する。

ステップＳ４以降のステップは、主として車高調整に関与するステップで、ステップＳ４では、舵角センサ１６から操向用車輪１２の操舵角の情報を取り込む。そして、次のステップＳ５では、操向用車輪１２の操舵角が所定の範囲、具体的には、ロックエンドに近い所定の角度範囲に含まれるか否かを判断する。

操向用車輪１２の操舵角が所定の範囲に含まれていない場合（Ｓ５でＮＯ）、操向用車輪１２はいずれか一方に大きく切られているわけではなく、車体の対応する部分を押し上げる量も少ないから、特に車高調整を行う必要がない。そこで、この場合は、ステップＳ５からステップＳ６に移り、ステップＳ６においては、ステップＳ３で既に決定された電動モータ５の駆動量に対応する制御信号Ｓａをモータ駆動回路１９に出力し、これにより電動モータ５を駆動して所要の操舵補助を行う。

操向用車輪１２の操舵角が所定の範囲に含まれている場合（Ｓ５でＹＥＳ）、操向用車輪１２はロックエンドに近づいていて、車体の対応する部分を押し上げる量も多くなっている。そこで、この場合は、ステップＳ５からステップＳ７に進み、ステップＳ７において、車速センサ１７からの車速情報等、他の必要な情報を取り込む。

次のステップＳ８において、操向用車輪１２の操舵角の情報と、車速等の他の情報とにより、マップメモリ１４３の車高調整マップ１４３ｂを参照して、各アクティブサスペンション１３の伸縮駆動量を決定して、その伸縮駆動量を示す車高調整信号Ｓｂを出力する。この車高調整信号Ｓｂは、ＣＡＮコントローラ１０１を介してサスペンション制御用ＥＣＵ５０に与えられる。サスペンション制御用ＥＣＵ５０は、車高調整信号Ｓｂに応答して、各アクティブサスペンション１３に付設されている切換え弁２５のソレノイド２４を駆動することで、各アクティブサスペンション１３を所要量伸縮駆動させる。

具体的には、たとえば、操向用車輪１２が左に大きく切られている場合は、旋回内側である左側の車輪の切れ角は、右側の車輪の切れ角より大きく、左側の車輪は、右側の車輪よりも車体を高く押し上げることになるので、これに対応して、左側の操向用車輪１２に設けられているアクティブサスペンション１３ｆａは大幅に短縮させ、右側のアクティブサスペンション１３ｆｂは小幅に短縮させる。これで、車体の旋回内側の左側部分は、旋回外側の部分より低く車高調整されて、旋回内側の操向用車輪１２にのみ過大な接地圧が作用することがなくなる。

ステップＳ８に続くステップＳ９では、ステップＳ３で既に決定された電動モータ５の駆動量から、車高調整信号Ｓｂに対応する分を差し引いて、車高調整を考慮した電動モータ５の駆動量を算出して、その駆動量に対応する制御信号をモータ駆動回路１９に出力し、これにより電動モータ５を駆動して所要の操舵補助を行う。これは、車高調整により、必要とする操舵補助トルクが減少することに対応した処理である。

本発明の最良の形態に係る電動パワーステアリング装置を、それに関連する車両構成とともに示す構成図 図１の装置のＥＰＳ用ＥＣＵ１０の内部の構成を、関係する部分の構成とともに示すブロック回路図 図２のＥＰＳ用ＥＣＵ１０のマイクロコンピュータの機能を示す機能ブロック図 図１の装置のアクティブサスペンションの断面図で、関係する回路部分を併せて示している。 図２のＥＰＳ用ＥＣＵ１０のマイクロコンピュータの動作を示すフローチャート 操向用車輪の動きを模式的に示す説明図

符号の説明

１ 操舵部材
２ 操舵軸
３ トルクセンサ
５ 電動モータ
１０ ＥＰＳ用ＥＣＵ
１０１ ＣＡＮコントローラ
１２ 操向用車輪
１３（１３ｆａ，１３ｆｂ，１３ｒａ，１３ｒｂ）
アクティブサスペンション（車高調整手段）
１４ マイクロコンピュータ（車高調整制御手段）
１６ 舵角センサ（操舵角検出手段）
１７ 車速センサ

Claims (1)

1. 操舵部材の操作に応じて電動モータを駆動して操舵補助する電動パワーステアリング装置であって、
   操向用車輪の操舵角を検出する手段と、
   各車輪に対して車体の高さを調整する車高調整手段と、
   操向用車輪の操舵角が所定の範囲に含まれる場合に一部もしくは全部の車高調整手段を駆動して車高を調整する制御を行う車高調整制御手段と、
   を備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
   
   

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