(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気モータ（７）が、ギアボックス（８）を介してステアリングアセンブリ（１）に作用的に連結されていて、ステアリングアセンブリ（１）に補助トルクを与える種類の電動パワーステアリングシステムであって、
モーター回転子の角度位置を示す出力を発生させるモーター位置検出手段（９）と、
任意のゼロ位置に対する上記モーター回転子の角度位置を示すカウント信号を発生させるために、上記モーター位置検出手段（９）の出力変化をカウントするカウント手段（１０６）と、
上記ステアリングアセンブリ（１）の一部の所定の角度位置を示す少なくとも１つの位置指標信号を発生させるステアリング位置検出手段（１２）と、
上記位置指標信号をモニタリングすることによって、上記ステアリングアセンブリの部分（１、６）が上記所定の角度位置にある場合に、常に上記カウント手段（１０６）により発生したカウント信号をリセットするリセット手段と、
を備えることを特徴とする電動パワーステアリングシステム。
【請求項２】
請求項１の電動パワーステアリングシステムであって、
前記ステアリング位置検出手段（１２）は前記ステアリングアセンブリの一部の位置を直接モニタリングすることにより、前記位置指標信号を発生することを特徴とする電動パワーステアリングシステム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２の電動パワーステアリングシステムであって、
前記モーター位置検出手段（９）は、１以上の回転子磁石（１０）の位置又は前記モーターの回転子に関して固定されている磁石の位置を検出する１以上の電磁気効果センサ（Ａ、Ｂ，Ｃ）を備えることを特徴とする電動パワーステアリングシステム。
【請求項４】
請求項３の電動パワーステアリングシステムであって、
前記モーター（７）は、ブラシレス永久磁石モーターを備え、
前記磁石効果センサ（Ａ，Ｂ，Ｃ）は、前記回転子磁石（１０）の位置を検出する、
ことを特徴とする電動パワーステアリングシステム。
【請求項５】
請求項３又は請求項４の電動パワーステアリングシステムであって、
前記モーター位置検出手段（９）は、３ビット出力信号を発生する３個のホール効果センサ（Ａ，Ｂ、Ｃ）を備えることを特徴とする電動パワーステアリングシステム。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか１の電動パワーステアリングシステムであって、さらに、
前記モーター位置検出手段（９）及び／又は前記ステアリング位置検出手段（１２）を周期的に作動させる手段と、
上記モーター位置検出手段（９）及び／又は上記ステアリング位置検出手段（１２）が作動する際に、計測の間の電流消費量を最小化するように、上記モーター位置検出手段（９）及び／又は上記ステアリング位置検出手段（１２）の出力をサンプル抽出する手段と、
を備えることを特徴とする電動パワーステアリングシステム。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれか１の電動パワーステアリングシステムであって、
前記ステアリング位置検出手段（１２）は、ステアリングシャフト（１）の直進位置又はステアリングの好ましい角度に対応して、単一の位置指標信号を発生させることを特徴とする電動パワーステアリングシステム。
【請求項８】
請求項７の電動パワーステアリングシステムであって、
前記位置指標信号は、前記ステアリングアセンブリの一部が所定の位置を通過した際に発生するパルスを含むことを特徴とする電動パワーステアリングシステム。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のいずれか１の電動パワーステアリングシステムであって、
前記ステアリング位置検出手段は、ステアリングアセンブリの一部上を磁石が通過したことを検出する単一の磁石効果センサを含むことを特徴とする電動パワーステアリングシステム。
【請求項１０】
請求項１〜請求項９のいずれか１の電動パワーステアリングシステムであって、
前記カウント手段は、１６ビットカウンタを含むことを特徴とする電動パワーステアリングシステム。
【請求項１１】
請求項１〜請求項１０のいずれか１の電動パワーステアリングシステムであって、
電動パワーステアリングシステムは、少なくとも部分的にバッテリで駆動されるバッテリ駆動型であることを特徴とする電動パワーステアリングシステム。
【請求項１２】
請求項１１の電動パワーステアリングシステムであって、
バッテリが電動パワーステアリングシステムと連結していない時を検出するバッテリ状態手段が設けられており、またこのバッテリ状態手段からの出力に応答して前記カウント信号は誤りであることを示す手段が設けられていることを特徴とする電動パワーステアリングシステム。
【請求項１３】
請求項１〜請求項１２のいずれか１の電動パワーステアリングシステムであって、
前記カウンタに保存されている値と、前記ギアボックスの既知の比率からの前記ステアリングアセンブリの一部の位置の計測値と、を相関させる処理手段が設けられていることを特徴とする電動パワーステアリングシステム。
【請求項１４】
請求項１〜請求項１３のいずれか１の電動パワーステアリングシステムであって、
前記ステアリングアセンブリの一部は、ステアリングシャフトを含むことを特徴とする電動パワーステアリングシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気モーターが、ギアボックスを介して、作用的にステアリングアセンブリに連結されていて、ステアリングアセンブリに補助トルクを与える種類の車両用電動パワーステアリングに関する。特に、ステアリングアセンブリの一部の角度位置を決定する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び解決課題】
上述の種類の電動パワーステアリングシステム(EPAS)を提供することは周知である。ステアリングアセンブリは、典型的には、ステアリングラックを介して１以上の車輪（roadwheels）に作用的に連結されているステアリングシャフトに連結されている手回しハンドルを備えるが、多くの異なるアセンブリが一般的に用いられている。いくつかのＥＰＡＳシステムは、電気モーターが切り替え時間あるいはモーターの巻線の整流を制御するためにモーター位置センサを具備するブラシレスモーターを用いる。モーター位置センサは、典型的には、回転子の上に設けられた磁石がセンサを通過する際に常に、状態を変化する１又は複数の電磁気タイプスイッチを備える。あるいは、磁化されたディスクを回転子シャフト上に載置することもでき、センサがディスク上の磁石の運動を検出してもよい。
【０００３】
例えば、３相ブラシレス永久磁石モーター（3-phase brushless permanent magnetmotor）においては、回転子の電気位置の加工されていない計測値を得るような態様で、３個のホール効果センサを回転子の周囲に位置づけることもできる。しかし、これは、出力がモーターシャフトの一回転内で繰り返され、不明確な信号を発生するので、ステアリングシャフトの位置の指標として用いるには適当でない。さらに、出力は、ギアボックスの比率にも依存する。
【０００４】
ステアリングシャフト位置を正確に計測するために、ステアリングシャフトの上に直接載置されているか又はギアドライブを介してステアリングシャフトに連結されている角度位置センサを設けることが知られている。これは、出力がステアリングシャフトから直接的に読みとれるので、ギアボックスの比率には依存しない出力を得ることができるが、製造費が高価である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の特徴によれば、ギアボックスを介して電気モーターがステアリングアセンブリに作用的に連結されていて、ステアリングアセンブリに補助トルクを与える種類の電動パワーステアリングシステムであって、モーター回転子の角度位置を示す出力を発生させるモーター位置検出手段と、上記モーター位置検出手段の出力変化をカウントして、任意のゼロ位置に関する上記回転子の角度位置を示すカウント信号を発生するカウント手段と、上記ステアリングアセンブリの一部の所定の角度位置を示す少なくとも１の位置指標信号を発生するステアリング位置検出手段と、上記指標信号をモニタリングすることによって上記ステアリングアセンブリの一部が所定の角度位置にある時に常に上記カウント手段によって発生したカウント信号をリセットするリセット手段と、を備える電動パワーステアリングシステムが提供される。
【０００６】
よって、本発明は、モーター位置検出手段の出力変化をカウントして、ステアリングアセンブリ位置が車輌の直進位置に対応することを示す指標信号がセンサから発生する時に常にカウントをリセットすることによって、モーター位置検出手段の出力からステアリングアセンブリの角度位置をモニタリングする装置を提供する。指標信号は、ステアリングコラムセンサから得られても、ステアリングアセンブリのステアリングラックの位置をモニタするセンサから直接的に得られても、あるいは車輌のヨー比率（yaw rate）を示す出力を発生するヨー比率センサから得られてもよい。
【０００７】
よって、ローコストの指標位置センサをステアリングシャフトに設けて、容易にリセットタイミングを早めることができる。
変化をカウントするとは、例えば、検出手段出力が一方向への回転に対応して状態を変化させる場合にカウント信号を増加し、反対方向への回転に対応して状態の変化が生じる場合にカウント信号を減少させる、ということを意味する。したがって、カウント信号の値は、リセットが起こる所定の角度位置に対するステアリングシャフトの角度位置を示す。
【０００８】
好ましくは、モーター位置検出手段は、モーターの回転子に対して固定されている１以上の回転子磁石の位置を検出する１以上の電磁気効果センサを含む。特に有利な装置において、モーターは、ブラシレス永久磁石モーターを備え、磁気効果センサは回転子磁石の位置を検出する。もちろん、他のタイプのセンサを別実施例として用いることもできる。
【０００９】
モーター位置検出手段からの出力信号は、カウント信号を発生することに加えて、モーター回転子巻線のタイミング又は整流を制御するために有利に用いられる。モーター位置検出手段は、１以上のホール効果センサを含むものでもよい。好ましくは、モーター位置検出手段は、３ビット出力信号を発生する３個のホール効果センサを備える。
【００１０】
本発明の電動パワーステアリングシステムは、「ストローブ（strobe）」すなわちモーター位置検出手段及び／又はステアリング位置検出手段を周期的に作動させる手段と、モーター位置位置検出手段及び／又はステアリング位置検出手段が作動している際のモーター位置検出手段及び／又はステアリング位置検出手段の出力をサンプル抽出する手段を含むものでもよい。また、センサの電源は、サンプル抽出の間で遮断されてもよい。これは、センサを連続的に作動させる場合に比較して、平均電流消費量を最小化する。さらに、車輌バッテリを過度に消費することなく車輌の点火装置のスイッチを切ることによってステアリングシステムの電源を切った場合であっても、カウンタはステアリングシャフト位置を追跡可能である。ラッチが、サンプル抽出された値をラッチする（次の信号入力まで前の入力に対する出力信号を保持する）ために設けられてもよい。
【００１１】
ステアリング位置検出手段は、ステアリングシャフトの直進位置若しくはステアリングの他の好ましい角度に対応するであろう単一の位置指標信号を発生することもできる。例えば、ステアリングシャフトが所定の位置を通過して回転する際に、パルスが発生してもよい。シャフト上の磁石の通過を検出するために、単一の磁気効果センサを含むこともできる。よって、ステアリング位置検出手段の出力は、第２の値をとるときの指標位置以外のすべてのシャフト位置に対する第１の出力値を有するものでもよい。しかし、出力を処理することによって指標位置を識別し得る限り、他の適当な出力を用いることもできる。
【００１２】
指標信号が一回転ごとに発生するとすれば、カウンタはステアリングシャフトが回転するたびにゼロ（又は他の好ましい値）にリセットされるであろう。この場合には、カウンタに保持されている最大値は、モーターの一回転に対するモーター位置検出手段の出力変化数及びステアリングシャフトの一回転に対するモーターの回転数に依存するであろう。これは、明らかに、ギアボックスの比率に依存する。それにもかかわらず、ギアボックスの比率は一定のままであるから、カウンタに保存されている値は、ステアリングシャフトの一回転内でのシャフト位置の正確な指標を提供するであろう。リセットすることで、長時間の間に生じるであろう総カウントのドリフトを補助的に防止する。これは、例えば、誤った「変化」が記録された場合に生じるであろう。
【００１３】
しかし、好ましくは、ステアリングが直進位置にあるか又はその位置に関連するある角度にある場合にのみ、指標信号は発生するので、カウンタに保存されている値は、この直進位置に関するステアリングの絶対角度を表すであろう。
【００１４】
カウント手段は、１６ビットカウンタを含むであろうが、より大きなカウンタ又はより小さなカウンタを用いることもできる。これらは、バイナリカウンタであってもよい。
【００１５】
システムは、バッテリで駆動されるものでも、あるいは少なくとも部分的にバッテリで駆動されるものでもよい。バッテリがシステムから外れている時を検出するバッテリ状態手段が設けられてもよい。バッテリ状態手段がバッテリの除去又はバッテリが外れていることを検出した場合に、エラーフラッグが揚げられてもよい。このエラーフラッグが揚げられると、次の始動時に（すなわち、バッテリの再度の連結時）、カウンタ値はエラー値又は信頼できない値として処理される。なぜなら、電源が入っていない場合には、カウンタが更新されずにモーター回転子は回転してしまっているからである。
【００１６】
処理手段は、カウンタ内に保存されている値と、ギアボックスの既知の比率からのステアリングシャフトの位置の計測値と、を相関させるために設けられてもよい。
【００１７】
【好ましい実施形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００１８】
図１に示されているシステムは、一端部にてステアリングホイール２に及び他端部にてラック・ピニオンギアボックス５，６を介して一対の車輪３，４に、作用的に連結されているステアリングシャフト１を含む。
【００１９】
運転手にトルク補助を提供するために、システムはさらに、１６．５：１の比率を有する減速ギアボックス８を介して、ステアリングシャフト１に連結されている電気モーター７を含む。電気モーター７は、３相永久磁石ブラシレスモーターと、３個のホール効果センサＡ，Ｂ，Ｃを備える検出手段９と、を含む。検出手段９は、モーター７の周囲に配置されていて、回転子磁石１０の位置を計測することによって、回転子の電気的な角度を検出する。これは、図２に示されている。
【００２０】
図３（ａ）に示すように、各センサＡ，Ｂ，Ｃは、回転子磁石のＮ極又は回転子磁石のＳ極のいずれが各センサの検出範囲内にあるかによって、ゼロ又はゼロでない出力を発生する。これらセンサを適当に離隔することによって、６個の３ビット値を有する増加出力は、図３（ｂ）に示すように発生され得る。重要なことは、センサ出力は電気的角度の計測値であって、絶対的な機械的角度ではないことである。したがって、例えば、６個の回転子の極を有する３相モーターに対して、センサ出力シーケンスは、１２０度ごとに繰り返されるであろう。ギアボックスの規定比率に対して、これは、結果的に、ステアリングコラムにおける１変化ごとにちょうど１．２度の分解能（resolution）で、ステアリングコラムの１回転ごとに２９７のホール効果変化をもたらす。
【００２１】
モーター７を正確に制御するために、ステアリングホイールを運転手が操作することによりステアリングシャフトに与えられるトルクを計測するための組み合わせられたトルク／位置センサ１２が設けられる。トルクを示すトルクセンサからの出力は、モーター電流要求値を発生させるために用いられる。これは、次いで、モーターに与えられる電流を制御するモーター電流信号を発生するために用いられる。
【００２２】
トルクを示す出力を発生させることに加えて、トルクセンサは、ステアリングシャフトの角度を示す出力信号を発生させる。これは、図４に示されている。図示された実施形態において、この信号は、トルクセンサがステアリングシャフトの直進位置に対応して整合されるときに発生する単一の指標信号を含む。事実上、この指標は、ステアリングシャフトが直進位置を通過したときに発生する狭いパルスを含む。これは、トルクを示す。
【００２３】
あるいは、直進ステアリング指標信号は、別のセンサから得られてもよい。例えば、ステアリングラック６上に直接載置されているセンサや、車輌が転向する際の割合を計測するヨーセンサから得てもよい。
【００２４】
指標信号及びホール効果センサの出力を処理することは、単一の指標信号よりも大幅に高い分解能で、ステアリングシャフト角度位置の計測値を発生させることを可能とする。
【００２５】
ホール効果センサからの出力は、第１の処理ステージを通過する。ホール効果センサが状態を変えるときにはいつでも、第１の処理ステージはカウントアップ信号又はカウントダウン信号のいずれかを発生する。
【００２６】
ホール効果状態の変化が、第１の方向へのモーター回転子の移動を表す場合には常に、カウントアップ信号が発生する。変化が反対側の第２の方向へのモーター回転子の移動を表す場合には常に、カウントダウン信号が発生する。例えば、第１の方向は、Ｓ1−Ｓ2，Ｓ2−Ｓ3，Ｓ3−Ｓ4，Ｓ4−Ｓ5，Ｓ5−Ｓ6，Ｓ6−Ｓ1からのホール効果センサ出力の変化に対応するであろう。第２の方向は、Ｓ1−Ｓ6，Ｓ6−Ｓ5，Ｓ5−Ｓ4，……Ｓ2−Ｓ1などの変化に対応するであろう。
【００２７】
第１の処理ステージの出力は、１６ビットカウンタまで通過する。カウントアップ信号が受け取られると、カウンタに保持されているカウント値は１だけ増加する。カウントダウン信号が受け取られると、カウンタに保存されている値は１だけ減少する。
【００２８】
ステアリングシャフトが直進位置にある場合には、カウンタ内の値は、最初はゼロに設定されている。これは、トルクセンサ（又は他のセンサ）からの指標信号に対応する。一方向へのホイールの連続的な転回に対して、カウンタに保存されている値は、ステアリングシャフトが直進位置に対して反対方向に反転する時まで、増加するであろう。一方のステアリング方向においてカウンタはカウントアップし、他方のステアリング方向においてはカウントダウンする。直進位置において、カウンタはリセットされる。よって、ステアリングホイールが直進位置を通過して移動する際に、カウントにおけるいかなるエラーも連続的にリセットされる。
【００２９】
ステアリングシステムの電力が遮断された場合に、カウンタが更新されないとすれば、問題が生じる。例えば、車輌の点火装置のスイッチが切られている場合、ステアリングシステムを補助する電力は非作動状態になる。これは、エンジンが作動しない場合に、モーターの作動に起因するバッテリ消費を防止することを意図するであろう。
【００３０】
しかし、かような場合にも、ステアリングホイールを転回し続けることは可能である。カウンタに保存されている値は、更新されず（電力が遮断に切り替えられるので）、再始動時に誤った位置信号を与えるであろう。
【００３１】
この問題を解決するために、ホール効果センサは、センサが遮断される短時間の間隔で周期的に切り替えることによってストローブ化される。こうして、位置の読みとりが可能になり、カウンタは更新される。よって、センサは読みとりの間、遮断に切り換えられる。確実に変化の読み落としをなくすために、センサ出力をサンプル抽出する頻度は、センサ出力の変化の最大割合の少なくとも２倍を越える。モーターの最大速度の物理的な制限による制限が加えられる。
【００３２】
センサを作動させ処理を行うシステム１００の概略は、図５に示されている。システム１００は、発振器１０１を備え、発振器１０１の出力は、スイッチ１１０に与えられ、仕事サイクルの１／６だけ、ホール効果装置１０２を回転させる。しかし、他の割合も可能である。発振器１０１は、５Ｖ電圧調節器１０３を介して、１２Ｖ車輌バッテリから電力を受ける。これはさらに、スイッチ１１０を介してホール効果センサと、センサの出力をサンプル抽出して保持するラッチ（latch）１０４と、デコードロジック１０５と、ホール効果センサの出力を処理する変化カウンタ１０６と、にも電力を与える。カウンタの出力は、カウントを角度１０８に変換するマイクロプロセッサ１０７まで通過する。
【００３３】
追加の安全特性として、バッテリが外されあるいは取り除かれた場合にシステムが電力遮断したときに、これを検出するバッテリ遮断ラッチ１０９が設けられる。電力が遮断されると、ラッチ１０９は、エラーフラッグを揚げる。始動時に、フラッグに対して、マイクロプロセッサ１０７は応答する。フラッグが揚げられると、カウンタに保存されている値は、エラーとして処理され得る。また、カウンタがリセットされてフラッグがクリアされる直進位置を決定する別の手段を用いてもよい。
【００３４】
システムの分解能は、各モーターの機械的な回転に対するホール効果センサの変化数及びギアボックスの比率に依存する。しかし、ホール効果センサの変化の瞬間に、位置計測の正確さは、ステアリングシャフト上のコストがかかる絶対位置センサを用いる必要のないかようなシステムを用いることによって、比較的高くなるであろう。
【００３５】
マイクロプロセッサ１０７に対する追加の入力は、指標位置信号１１１を含む。この信号は、ステアリングコラム位置センサの出力がパルス化された指標を発生するか否かにかかわらず発生する。指標位置信号が生じると、ステアリングコラムが直進位置にあることがわかり、指標位置信号はカウンタをリセットするトリガーとして用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による電動パワーステアリングシステムの概略説明図である。
【図２】図２は、図１のシステムに組み込まれたブラシレス電気モーターの６極回転子の周りでの３個のホール効果センサの配置及び回転子が回転する際のセンサに対する磁石の整合の順番をを示す説明図である。
【図３】図３（ａ）は、ホール効果センサからの代表的な出力信号の１セットを示す説明図であり、図３（ｂ）は、回転子の３６０度の電気的な回転ごとの６個の３ビット値の１セットを示す説明図である。
【図４】図４は、ステアリングシャフトが＋／−１回転を越えて直進位置を通過する際のトルク出力に加えて、ステアリングシャフト上の組み合わせられたトルク位置センサからの指標信号を示す。
【図５】図５は、ホール効果センサからの出力及びステアリングシャフト位置を計測するためのステアリングシャフト上のトルクセンサからの指標信号出力を処理するための手段を示すブロックダイアグラムである。
【符号の説明】
１：ステアリングシャフト
２：ステアリングホイール
３，４：車輪
５，６：ギアボックス
７：電気モーター
８：減速ギアボックス
９：検出手段
１０：回転子
１２：トルク位置センサ
Ａ，Ｂ，Ｃ：ホール効果センサ
【図１】
0004421043.tif 000002
【図２】
0004421043.tif 000003
【図３】
0004421043.tif 000004
【図４】
0004421043.tif 000005
【図５】
0004421043.tif 000006