(57)【要約】【課題】適切な慣性特性を有する電動モータを備えることで良好な操舵操作性を実現する電動パワーステアリング装置およびその特性設定方法を提供する。【解決手段】本電動パワーステアリング装置に備えられるべき適切な慣性特性を有する電動モータを選択する手順として、まず、本装置を搭載しようとする対象車両のばね定数Ｋを算出する（Ｓ１０）。次に、このばね定数Ｋに対応する慣性モーメントの上限値および下限値を算出する（Ｓ２０）。この上限値および下限値は、良好な操舵操作性が実現されるときのばね定数と慣性モーメントとの相関関係に基づき決定される。最後に、上限値および下限値の範囲内にある慣性モーメントを有する電動モータを、本装置に備えるべき電動モータとして選択する（Ｓ３０）。このことにより、ばね力の強い車両であっても急激なハンドル戻りや段付き現象が生じにくくなるため、良好な操舵操作性が実現される。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両操舵のための操作手段によって加えられる操舵トルクに応じて電動モータを駆動することにより当該車両のステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置であって、
前記電動モータは、前記車両のセルフアライニングトルクであるばね力に応じた慣性モーメントを有することを特徴とする、電動パワーステアリング装置。
【請求項２】
前記電動モータは、主軸換算慣性モーメントをＩ［ｋｇｍ２  ］とし、前記ばね力に対応するばね定数をＫ［Ｎ／ｄｅｇ］とするとき、次式（１）である
Ｉ＝３．５７×１０−５×Ｋ＋０．０２１  …（１）
により得られる前記主軸換算慣性モーメントＩの近傍値を前記慣性モーメントとす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。
【請求項３】
車両操舵のための操作手段によって加えられる操舵トルクに応じて電動モータを駆動することにより当該車両のステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置の特性を設定する方法であって、
前記車両のばね力を算出するステップと、
前記電動モータを、前記車両のセルフアライニングトルクであるばね力に応じた慣性モーメントを有するモータから選択するステップと
を含むことを特徴とする、電動パワーステアリング装置の特性を設定する方法。
【請求項４】
前記電動モータを選択するステップでは、主軸換算慣性モーメントをＩ［ｋｇｍ２  ］とし、前記ばね力に対応するばね定数をＫ［Ｎ／ｄｅｇ］とするとき、次式（１）である
Ｉ＝３．５７×１０−５×Ｋ＋０．０２１  …（１）
により得られる前記主軸換算慣性モーメントＩの近傍値を前記慣性モーメントとするモータから選択することを特徴とする、請求項３に記載の電動パワーステアリング装置の特性を設定する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動モータによって車両のステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、運転者がハンドル（ステアリングホイール）に加える操舵トルクに応じて電動モータを駆動することによりステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置が用いられている。この電動パワーステアリング装置では、操舵のための操作手段であるハンドルに加えられる操舵トルクを検出して当該操舵トルクを示すトルク検出信号を出力するトルクセンサが設けられており、そのトルクセンサからのトルク検出信号に基づき電動モータに流すべき電流の目標値が設定される。そして、比例積分制御器によりこの目標値と電動モータに実際に流れる電流の検出値との偏差に基づき、電動モータの駆動手段に与えるべき指令値が生成される。電動モータの駆動手段は、その指令値に応じたデューティ比のパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を生成するＰＷＭ信号生成回路と、そのＰＷＭ信号のデューティ比に応じてオン／オフするパワートランジスタを用いて構成されるモータ駆動回路とから成り、そのデューティ比に応じた電圧すなわち指令値に応じた電圧を電動モータに印加する。この電圧印加によって電動モータに流れる電流は電流検出回路によって検出され、上記目標値とこの検出値との差が上記指令値を生成するための偏差として使用される。
【０００３】
以上のような従来の電動パワーステアリング装置では、電動モータの（出力可能な最大トルクの）大きさは、車速がゼロであるときのハンドル操作である据え切り時に必要なトルクにより決定されることが多い。したがって、（ラック）軸力が大きい車両ほど、（最大トルクの）大きな電動モータが選ばれることになる。そのため、必然的に電動モータの慣性も大きくなる。この慣性が大きくなると、例えばハンドルの切り返し時などで運転者が慣性を感じるため、運転者の操舵フィーリングが低下する。
【０００４】
この点、上記電動モータに流すべき電流目標値に、電動モータの慣性モーメントの影響を低減するための補償を行う慣性補償電流値を加算する、慣性補償が行われることがある（例えば、特許文献１を参照）。しかし、このような慣性補償では、完全に慣性モーメントの影響を解消することは困難であるため、慣性の小さい電動モータが選ばれることが好ましい。
【０００５】
そこで、例えば、上記電動モータとして、比較的慣性の小さいブラシレスモータが選ばれることがある。このブラシレスモータは、ブラシ付きモータとは異なり、磁石のみからなる巻き線の無いロータを有するため、比較的慣性が小さい。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−３２９７４５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、慣性の小さい電動モータを備える従来の電動パワーステアリング装置を、車輪が直進方向に戻ろうとする力（「セルフアライニングトルク」と呼ばれる）が大きい車両、すなわちばね力の強い車両に搭載する場合、ハンドルの戻りがきつすぎることがある。そして、ハンドルの戻りがきついと、運転者の予想を超えた速度でハンドルが戻り、その後急に戻り速度が低下する、という挙動が繰り返されることがある。このハンドル戻り時の不自然な回転挙動を段付き現象という。図６は、この段付き現象を示す図である。図中の点線は、ハンドル戻り時の自然な挙動を例示し、実線は上記段付き現象を例示する。このような操舵操作は、車両をＵターンさせる場合や、低速で交差点を右左折させる場合に頻繁に行われる。よって、上記の特性を有する従来の電動パワーステアリング装置において生じる上記段付き現象は、操舵操作の操作性を悪化させる要因となる。
【０００８】
また、慣性の小さい電動モータを備える従来の電動パワーステアリング装置をばね力の強い車両に搭載すると、路面状態によってタイヤに力が加わることによりハンドルが急激に戻されることがある。このような上記の特性を有する従来の電動パワーステアリング装置において生じる運転者が予想しない急激なハンドル戻り現象も、操舵操作の操作性を悪化させる要因となる。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、急激なハンドル戻りや段付き現象が生じにくくすることにより良好な操舵操作性を実現する電動パワーステアリング装置およびその特性を設定する方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明は、車両操舵のための操作手段によって加えられる操舵トルクに応じて電動モータを駆動することにより当該車両のステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置であって、
前記電動モータは、前記車両のセルフアライニングトルクであるばね力に応じた慣性モーメントを有することを特徴とする。
【００１１】
このような第１の発明によれば、電動モータは、車両のばね力に応じた慣性モーメントを有するモータから選ばれる。このことにより、ばね力の強い車両であっても急激なハンドル戻りや段付き現象が生じにくくなるため、良好な操舵操作性を実現する電動パワーステアリング装置を提供することができる。
【００１２】
第２の発明は、第１の発明において、
前記電動モータは、主軸換算慣性モーメントをＩ［ｋｇｍ２  ］とし、前記ばね力に対応するばね定数をＫ［Ｎ／ｄｅｇ］とするとき、次式（１）である
Ｉ＝３．５７×１０−５×Ｋ＋０．０２１  …（１）
により得られる前記主軸換算慣性モーメントＩの近傍値を前記慣性モーメントとすることを特徴とする。なお、ばね定数Ｋは、車輪の単位実舵角（ラック軸の単位ストローク）あたりのラック軸力である。
【００１３】
第３の発明は、車両操舵のための操作手段によって加えられる操舵トルクに応じて電動モータを駆動することにより当該車両のステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置の特性を設定する方法であって、
前記車両のばね力を算出するステップと、
前記電動モータを、前記車両のセルフアライニングトルクであるばね力に応じた慣性モーメントを有するモータから選択するステップと
を含むことを特徴とする。
【００１４】
第４の発明は、第３の発明において、
前記電動モータを選択するステップでは、主軸換算慣性モーメントをＩ［ｋｇｍ２  ］とし、前記ばね力に対応するばね定数をＫ［Ｎ／ｄｅｇ］とするとき、次式（１）である
Ｉ＝３．５７×１０−５×Ｋ＋０．０２１  …（１）
により得られる前記主軸換算慣性モーメントＩの近傍値を前記慣性モーメントとするモータから選択することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
＜１．全体構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を、それに関連する車両構成と共に示した概略図である。この電動パワーステアリング装置は、操舵のための操作手段としてのハンドル（ステアリングホイール）１００に一端が固着されるステアリングシャフト１０２と、そのステアリングシャフト１０２の他端に連結されたラックピニオン機構１０４と、ハンドル１００の操作によってステアリングシャフト１０２に加えられる操舵トルクを検出するトルクセンサ３と、この電動パワーステアリング装置が搭載される車両の車速を検出する車速センサ４と、ハンドル操作（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力を発生させる電動モータ６と、そのモータ６の発生する操舵補助力をステアリングシャフト１０２に伝達する減速ギヤ７と、車載バッテリ８からイグニションスイッチ９を介して電源の供給を受け、トルクセンサ３および車速センサ４からのセンサ信号に基づきモータ６の駆動を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）５とを備えている。
【００１６】
ここで、ステアリングシャフト１０２において、ハンドル１００側の部分と、減速ギヤ７を介して操舵補助トルクの加えられる部分との間にはトーションバーが介装されている。トルクセンサ３は、そのトーションバーのねじれを検出することにより操舵トルクを検出する。このようにして検出された操舵トルクの検出値Ｔは、操舵トルク検出信号としてトルクセンサ３から出力され、ＥＣＵ５に入力される。また、車速センサ４は、車両の走行速度である車速の検出値Ｖを示す信号を車速信号として出力する。この車速信号もＥＣＵ５に入力される。
【００１７】
このような電動パワーステアリング装置を搭載した車両において運転者がハンドル１００を操作すると、その操作による操舵トルクがトルクセンサ３によって検出され、その操舵トルクの検出値Ｔと車速センサ４によって検出された車速の検出値Ｖとに基づいてＥＣＵ５によりモータ６が駆動される。これによりモータ６は操舵補助力を発生し、この操舵補助力が減速ギヤ７を介してステアリングシャフト１０２に加えられることにより、操舵操作による運転者の負荷が軽減される。すなわち、ハンドル操作によって加えられる操舵トルクと、モータ６の発生する操舵補助力によるトルクとの和が出力トルクとして、ステアリングシャフト１０２を介してラックピニオン機構１０４に与えられる。これによりピニオン軸が回転すると、その回転がラックピニオン機構１０４によってラック軸の往復運動に変換される。ラック軸の両端はタイロッドおよびナックルアームから成る連結部材１０６を介して車輪１０８に連結されており、ラック軸の往復運動に応じて車輪１０８の向きが変わる。
【００１８】
＜２．制御装置の構成および動作＞
図２は、上記電動パワーステアリング装置における制御装置であるＥＣＵ５の機能的構成を示すブロック図である。このＥＣＵ５は、モータ制御部として機能するマイクロコンピュータ（以下「マイコン」と略記する）１０と、そのマイコン１０から出力される指令値Ｄに応じたデューティ比のパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を生成するＰＷＭ信号生成回路１８と、そのＰＷＭ信号のデューティ比に応じた電圧をモータ６に印加するモータ駆動回路２０と、モータ６に流れる電流を検出する電流検出器１９とから構成される。
【００１９】
マイコン１０は、その内部のメモリに格納された所定のプログラムを実行することにより、目標電流設定部１２と減算器１４とフィードバック制御演算部（以下「ＦＢ制御演算部」と略記する）１６とからなるモータ制御部として機能する。このモータ制御部において、目標電流設定部１２は、トルクセンサ３から出力される操舵トルクの検出値Ｔ（以下、単に「操舵トルクＴ」という）と、車速センサ４から出力される車速の検出値Ｖ（以下、単に「車速Ｖ」という）とに基づき、モータ６に流すべき電流の目標値Ｉｔを決定する。減算器１４は、この目標電流設定部１２から出力される電流目標値Ｉｔと電流検出器１９から出力されるモータ電流の検出値Ｉｓとの偏差Ｉｔ−Ｉｓを算出する。ＦＢ制御演算部１６は、この偏差Ｉｔ−Ｉｓに基づく比例積分制御演算によって、ＰＷＭ信号生成回路１８に与えるべきフィードバック制御のための上記指令値Ｄを生成する。
【００２０】
ＰＷＭ信号生成回路１８は、この指令値Ｄに応じたデューティ比のパルス信号、すなわち指令値Ｄに応じてパルス幅の変化するＰＷＭ信号を生成する。モータ駆動回路２０は、典型的にはバッテリ８の電源ラインと接地ラインとの間に接続される４個の電力用の電界効果型トランジスタからなるブリッジ回路であって、ＰＷＭ信号のパルス幅（デューティ比）に応じた電圧をモータ６に印加する。モータ６は、その電圧印加によって流れる電流に応じた大きさおよび方向のトルクを発生する。このように、電流目標値Ｉｔを受け取る減算器１４、ＦＢ制御演算部１６、ＰＷＭ信号生成回路１８、モータ駆動回路２０、およびモータ電流の検出値Ｉｓを減算器１４へ出力する電流検出器１９は、モータ６に対するフィードバック制御を行う制御手段を構成する。
【００２１】
なお、上記電動モータ６はブラシ付きの一般的な直流モータであるが、本発明における駆動源としての電動モータは、上記ブラシ付きモータに限定されるものではなく、例えば、より慣性の小さい電動モータであるブラシレスモータや誘導モータであってもよい。
【００２２】
＜３．電動モータの選択手順＞
前述したように、従来の電動パワーステアリング装置に備えられる電動モータは、据え切り時に必要なトルクに応じて決定されることが多いため、軸力が大きい車両ほど、（最大トルクの）大きな電動モータが選ばれることになる。この場合、電動モータの慣性が大きくなりすぎることがあるため、運転者の操舵フィーリングが低下する。逆に、慣性の小さい電動モータが選ばれる場合、ばね力の強い車両に搭載すると、急激なハンドル戻りや段付き現象を生じることがあるため、運転者の操舵フィーリングが低下する。したがって、運転者の操舵フィーリングを良好に保つためには、適切な慣性特性を有する電動モータが選ばれなければならない。
【００２３】
そこで以下、本電動パワーステアリング装置を搭載しようとする車両（以下「対象車両」という）のばね力と、電動モータの慣性モーメントとの関係を考慮することにより、運転者の操舵フィーリングを良好に保つための、本電動パワーステアリング装置の（電動モータ６における慣性）特性を設定する方法につき説明する。なお、一般にほぼ等しい最大トルクを出力可能な電動モータであっても、その種類（例えばメーカなど）が異なれば、それぞれの慣性モーメントは異なることが多い。しかし、電動モータの慣性モーメントは構造上固有のものであるため、本電動パワーステアリング装置の特性は、実際には、適切な慣性モーメントを有する複数の電動モータから１つを選択することにより設定される。
【００２４】
図３は、適切な慣性特性を有する電動モータ６を選択する手順を示すフローチャートである。まず、対象車両のばね力に対応するばね定数Ｋを算出する（ステップＳ１０）。このばね定数Ｋは、対象車両の軸力とギヤ比とに基づき算出される。この対象車両の軸力は、公知の実測方法またはシミュレーション方法により得られるため、詳しい算出法についての説明は省略する。
【００２５】
次に、上記ばね定数Ｋに対応する慣性モーメントの上限値および下限値を算出する（ステップＳ２０）。この上限値および下限値は、予め算出されたばね定数と慣性モーメントとの対応関係に基づき決定される。以下、この対応関係の算出について説明する。
【００２６】
図４は、所定の慣性モーメントおよびばね力を有するときの電動パワーステアリング装置の操舵操作性の評価を示す図である。図では、所定の主軸換算慣性モーメント［ｋｇｍ２  ］を有する電動モータを備える電動パワーステアリング装置を、所定の軸力［Ｎ］およびばね力に対応するばね定数［Ｎ／ｄｅｇ］を有する対象車両に搭載した場合の慣性感、戻り感、および総合評価が示されている。ここで、この主軸換算慣性モーメントは、（減速ギヤの）減速比による影響を排除するためハンドル軸に換算した値であり、軸力は、車速が６０ｋｍ／ｈ、ハンドル舵角が３０度であるときの値であり、ばね定数Ｋは、ハンドル舵角が３０度でオーバオールギヤレシオ（車輪舵角に対するハンドル舵角の比）がＲのときのラック軸力Ｆに基づき、Ｋ＝Ｆ／（３０／Ｒ）により求めた値である。また、ここでの慣性感、戻り感、および総合評価は官能評価に基づくものであって、良好であるときには「○」のマークが、不良であるときには「×」または「※」のマークが、良好であるとも不良であるともいえないときには「△」のマークがそれぞれに付されている。なお、戻り感の評価における上記の「※」のマークは、ハンドルが急激に戻りすぎるため戻り感が不良であることを示し、戻り感の評価における「×」のマークは、ハンドルが戻らないため戻り感が不良であることを示すものとする。また、上記官能評価に代えて公知の計測方法に基づく数値評価を行うことも可能である。図４に示されるように、慣性感または戻り感のいずれかが不良であれば操舵操作性が良好であるとはいえないため、慣性感および戻り感の双方が良好でなければ総合評価が良好となることはない。
【００２７】
図５は、図４に示す主軸換算慣性モーメント［ｋｇｍ２  ］を縦軸にとり、図４に示すばね定数［Ｎ／ｄｅｇ］を横軸にとるときの上記総合評価を示す図である。この図は、上記総合評価を上記マークによって示す散布図であり、操舵操作性が良好であるときの主軸換算慣性モーメントとばね定数との間には正の相関関係がみられる。この関係は、ばね力が強い車両ほどハンドルの戻りがきついため、ばね力が弱い車両に搭載される場合に比べて、電動モータの慣性が或る程度大きくなければならない、ということからも導くことができる。
【００２８】
さらに、公知の手法により上記相関関係を一本の直線（例えば回帰直線）で表すと、当該直線は次式（１）のように表される。
Ｉ＝３．５７×１０−５×Ｋ＋０．０２１  …（１）
ここで、Ｉは主軸換算慣性モーメントを示し、Ｋはばね定数を示す。図５において、この直線は実線により示されている。
【００２９】
したがって、ステップＳ２０では、上式（１）に基づき、対象車両のばね定数Ｋに対応する慣性モーメントＩを直ちに算出するのが好ましいようにも思えるが、当該慣性モーメントＩを有する電動モータが現実には存在しない（または入手が困難である）ことが多いため、その近傍値の慣性モーメントＩを算出する必要がある。そこで、良好であるとも不良であるともいえない総合評価（図の「△」）を限界とすることにより、上記近傍値の上限値および下限値を算出する。そして図５を参照すると、上式（１）により示される直線上の慣性モーメントＩを中央値とするとき公差を±０．０１５、すなわち、（中央値＋０．０１５）である値を上限値とし、（中央値−０．０１５）である値を下限値とすることが好ましい。この上限値を上回る慣性モーメントを有する電動モータを備える電動パワーステアリング装置では、慣性感が不良となり、この下限値を下回る慣性モーメントを有する電動モータを備える電動パワーステアリング装置では、戻り感が不良となる。図５において、これらの上限値および下限値は点線により示されている。上記ばね定数Ｋに対応する慣性モーメントの上限値および下限値は、以上のように算出される。
【００３０】
最後に、上記ステップＳ２０において算出された上限値および下限値の範囲内にある慣性モーメントを有する電動モータを、本電動パワーステアリング装置に備えるべき電動モータとして選択する（ステップＳ３０）。このことにより、運転者の操舵フィーリングを良好に保つための、本電動パワーステアリング装置の（電動モータ６における慣性）特性が設定される。
【００３１】
＜４．効果＞
以上のように、上記一実施形態によれば、電動モータ６は、車両のばね力に応じた慣性モーメントを有するモータから選ばれる。このことにより、ばね力の強い車両であっても急激なハンドル戻りや段付き現象が生じにくくなるため、良好な操舵操作性を実現する電動パワーステアリング装置およびその特性を設定する方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成をそれに関連する車両構成と共に示す概略図である。
【図２】上記一実施形態に係る電動パワーステアリング装置における制御装置であるＥＣＵの機能的構成を示すブロック図である。
【図３】上記一実施形態における適切な慣性特性を有する電動モータを選択する手順を示すフローチャートである。
【図４】上記一実施形態における所定の慣性モーメントおよびばね力を有するときの電動パワーステアリング装置の操舵操作性の評価を示す図である。
【図５】上記一実施形態において、主軸換算慣性モーメント［ｋｇｍ２  ］を縦軸にとり、ばね定数［Ｎ／ｄｅｇ］を横軸にとるときの総合評価を示す図である。
【図６】従来の電動パワーステアリング装置における段付き現象を示す図である。
【符号の説明】
３    …トルクセンサ
４    …車速センサ
５    …電子制御ユニット（ＥＣＵ）
６    …モータ
１０  …マイクロコンピュータ（モータ制御部）
１２  …目標電流設定部（目標値設定手段）
１４  …減算器
１６  …フィードバック制御演算部（ＦＢ制御演算部）
１８  …ＰＷＭ信号生成回路
１９  …電流検出器
２０  …モータ駆動回路
Ｉｔ  …電流目標値
Ｉｓ  …電流検出値
Ｖ    …車速
Ｔ    …操舵トルク
Ｋ    …ばね定数
Ｉ    …主軸換算慣性モーメント
【図１】
2004314685.tif 000003
【図２】
2004314685.tif 000004
【図３】
2004314685.tif 000005
【図４】
2004314685.tif 000006
【図５】
2004314685.tif 000007
【図６】
2004314685.tif 000008