(57)【要約】【課題】従来より低コストで製造可能な電動パワーステアリング装置を提供する。【解決手段】本発明の電動パワーステアリング装置１０は、ハンドル３９にかかる負荷トルクＴｆを含む運転状況に応じて交流モータ２０への電流指令値Ｉｑ１＊を決定し、交流モータ２０を電流フィードバック制御する。そして、トーションバー４０を間に介して取り付けられた第１及び第２の回転位置センサ５０，６０の検出結果の差Δθに基づいて負荷トルクＴｆを演算すると共に、第２の回転位置センサ６０の検出結果に基づいてモータロータ２２の回転位置θ３を求める。このように、本発明では、負荷トルクＴｆの検出に用いられる第２の回転位置センサ６０を、交流モータ２０の電流フィードバック制御に必要な回転位置検出にも兼用して用いたので、従来、３つ必要であった回転位置センサが２つで済み、コストダウンを図ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１対の転舵輪の間に差し渡される直動シャフトと、ハンドルの操舵によって回転する回転シャフトとをラックアンドピニオン機構にて連結すると共に、中空のロータを有した交流モータの中心部に前記直動シャフトを挿通して前記ロータと前記直動シャフトとをボールネジ機構にて連結し、前記回転シャフトの一部を構成するトーションバーの捻れから求められる負荷トルクに応じて前記交流モータを電流フィードバック制御する電動パワーステアリング装置において、
前記トーションバーのうち前記ハンドル側の始端部に取り付けられた第１の回転位置センサと、
前記トーションバーのうち前記ハンドルから離れた側の終端部又は前記ロータの何れかに取り付けられた第２の回転位置センサと、
前記第１と第２の回転位置センサが検出した回転位置の差に基づいて前記負荷トルクを演算する負荷トルク演算部と、
前記負荷トルクに基づいて前記交流モータへの電流指令値を決定する指令値決定部と、
前記第２の回転位置センサの検出結果を用いて、前記電流指令値に応じた前記交流モータの電流フィードバック制御を行うモータ制御部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。
【請求項２】
前記第２の回転位置センサを、前記トーションバーの終端部に取り付け、
前記第１と第２の回転位置センサを同一構造のレゾルバで構成した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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１対の操舵輪の間に差し渡される直動シャフトと、ハンドルの操舵によって回転する回転シャフトとをラックアンドピニオン機構によって連結すると共に、中空のロータを有した交流モータの中心部に直動シャフトを挿通してロータと直動シャフトとをボールネジ機構にて連結した電動パワーステアリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の電動パワーステアリング装置は、ハンドル操舵に対する負荷トルクを検出するために回転シャフトの途中にトルクセンサを備えている。そのトルクセンサは、トーションバーの両端部に１対の回転位置センサを設けた構造になっている。そして、負荷トルクに応じて操舵アシスト用の交流モータに対する電流指令値を決定する。また、従来の電動パワーステアリング装置は、交流モータの電流フィードバック制御を行うために、交流モータの回転位置を検出する回転位置センサを別途有しており、結局、計３つの回転位置センサを備えていた（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−３７３１２号公報（段落［００２９］、［００４７］，第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、近年、電動パワーステアリング装置の価格競争が激化している。このため、センサに係るコストを抑えて低価格で製造可能な電動パワーステアリング装置の開発が求められている。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、従来より低コストで製造可能な電動パワーステアリング装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するためになされた請求項１の発明に係る電動パワーステアリング装置（１０）は、１対の転舵輪（１３）の間に差し渡される直動シャフト（１２）と、ハンドル（３９）の操舵によって回転する回転シャフト（３２）とをラックアンドピニオン機構（３５）にて連結すると共に、中空のロータ（２２）を有した交流モータ（２０）の中心部に直動シャフト（１２）を挿通してロータ（２２）と直動シャフト（１２）とをボールネジ機構（２５）にて連結し、回転シャフト（３２）の一部を構成するトーションバー（４０）の捻れから求められる負荷トルク（Ｔｆ）に応じて交流モータ（２０）を電流フィードバック制御する電動パワーステアリング装置（１０）において、トーションバー（４０）のうちハンドル（３９）側の始端部（４０Ａ）に取り付けられた第１の回転位置センサ（５０）と、トーションバー（４０）のうちハンドル（３９）から離れた側の終端部（４０Ｂ）又はロータ（２２）の何れかに取り付けられた第２の回転位置センサ（６０）と、第１と第２の回転位置センサ（５０，６０）が検出した回転位置（θ１，θ２）の差に基づいて負荷トルク（Ｔｆ）を演算する負荷トルク演算部（７１）と、負荷トルク（Ｔｆ）に基づいて交流モータ（２０）への電流指令値（Ｉｑ１＊）を決定する指令値決定部（７２）と、第２の回転位置センサ（６０）の検出結果を用いて、電流指令値（Ｉｑ１＊）に応じた交流モータ（２０）の電流フィードバック制御を行うモータ制御部（７３）とを備えたところに特徴を有する。
【０００６】
請求項２の発明は、請求項１に記載の電動パワーステアリング装置（１０）において、第２の回転位置センサ（６０）を、トーションバー（４０）の終端部（４０Ｂ）に取り付け、第１と第２の回転位置センサ（５０，６０）を同一構造のレゾルバで構成したところに特徴を有する。
【発明の効果】
【０００７】
［請求項１の発明］
請求項１の構成によれば、第１の回転位置センサはトーションバーの始端部に取り付けられる一方、第２の回転位置センサはトーションバーの終端部又はロータの何れかに取り付けられているので、ハンドル操舵に対する負荷トルクによりトーションバーが捻れると、第１と第２の回転位置センサが検出した回転位置に差が生じる。その差に基づいて負荷トルク演算部が負荷トルクを演算し、その負荷トルクに基づいて指令値決定部が交流モータへの電流指令値を決定する。そして、モータ制御部が、第２の回転位置センサの検出結果を用いて、交流モータの電流フィードバック制御を行う。このように、本発明では、負荷トルクの検出に用いられる第２の回転位置センサを、交流モータの電流フィードバック制御に必要な回転位置の検出にも兼用して用いるので、従来、３つ必要であった回転位置センサが２つで済み、コストダウンを図ることができる。
【０００８】
［請求項２の発明］
請求項２の構成では、第１と第２の回転位置センサを同一構造のレゾルバで構成したので、部品が共通化され、この点においてもコストダウンを図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
［第１実施形態］
以下、本発明の一実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。
図１に示すように電動パワーステアリング装置１０は、筒形ハウジング１１の内部に直動シャフト１２を挿通して備えている。そして、直動シャフト１２の両端部がタイロッド（図示せず）を介して転舵輪１３，１３に連結されている。なお、転舵輪１３の近傍には、転舵輪１３の回転に基づいて車速Ｖを検出するための車速センサ１４が設けられている。
【００１０】
筒形ハウジング１１は、図示しない車両本体に固定され、その軸方向の中間部分には交流モータ２０が内蔵されている。この交流モータ２０は、ブラシレス三相交流モータであって、図２に示すように巻線２１Ｊを有したモータステータ２１と、外周面に磁石２２Ｊを有しかつ中空円筒状のモータロータ２２とを有している。また、モータステータ２１は筒形ハウジング１１の内側に嵌合固定され、モータロータ２２はモータステータ２１の内側に遊嵌されると共に両端部をベアリング２２Ｂによって筒形ハウジング１１に回転可能に軸支されている。そして、直動シャフト１２が、モータロータ２２の内側に挿通されている。なお、筒形ハウジング１１の側面には、巻線２１Ｊへの電力供給線を後述する操舵制御装置７０に接続するためのコネクタ１１Ｄが設けられている。
【００１１】
モータロータ２２の内面には、ボールネジナット２３が組み付けられている。これに対し、直動シャフト１２の軸方向の中間部分はボールネジシャフト２４になっており、これらボールネジナット２３とボールネジシャフト２４とが螺合してボールネジ機構２５が構成されている。そして、モータロータ２２と共にボールネジナット２３が回転すると、筒形ハウジング１１に対してボールネジシャフト２４が直動し、これにより転舵輪１３，１３（図１参照）が転舵する。
【００１２】
直動シャフト１２の一端寄り位置にはラック３０が形成されている。これに対し、筒形ハウジング１１の一端寄り位置にはピニオン保持筒部３１が形成されている。ピニオン保持筒部３１は、筒形ハウジング１１から側方に分岐した筒状をなし、内部には回転シャフト３２が回転可能に収容されている。そして、ピニオン保持筒部３１の下端部に備えたピニオン３４が、前記ラック３０に噛合してラックアンドピニオン機構３５が構成されている。また、回転シャフト３２の上端部には、ステアリングシャフト３８がスプライン結合され、そのステアリングシャフト３８の上端部にはハンドル３９が取り付けられている。
【００１３】
詳細には、回転シャフト３２は、図３に示すようにトーションバー４０と第１及び第２の延長スリーブ４１，４２とからなる。トーションバー４０は、ハンドル３９側の始端部４０Ａとハンドル３９から離れた側の終端部４０Ｂとが略同一の径をなし、それら始端部４０Ａ及び終端部４０Ｂの間の中間部４０Ｃが比較的細くなっている。これにより、トーションバー４０が負荷トルクを受けると主として中間部４０Ｃが捻れ変形する。
【００１４】
第１の延長スリーブ４１は、トーションバー４０における中間部４０Ｃのほぼ全体を遊嵌状態に覆うと共に、トーションバー４０の始端部４０Ａに嵌合固定されている。また、第１の延長スリーブ４１とトーションバー４０の始端部４０Ａとの嵌合部分にはピン４３が横切って貫通している。これにより、第１の延長スリーブ４１は、トーションバー４０のうち始端部４０Ａのみと一体に回転する。
【００１５】
第２の延長スリーブ４２は、ピニオン３４の上端部に一体形成されて上方に向かって延びている。そして、第２の延長スリーブ４２内に、第１の延長スリーブ４１の下端部が遊嵌され、さらに第１の延長スリーブ４１の下端部から突出したトーションバー４０の終端部４０Ｂが、第２の延長スリーブ４２の奥部に備えた小径孔４２Ａにスプライン結合されている。これにより、第２の延長スリーブ４２は、トーションバー４０のうち終端部４０Ｂのみと一体に回転する。そして、中間部４０Ｃが捻れた場合には、トーションバー４０の始端部４０Ａと一体に回転する第１の延長スリーブ４１の回転位置θ１と、トーションバー４０の終端部４０Ｂと一体に回転する第２の延長スリーブ４２との回転位置θ２との間に差Δθが生じる。
【００１６】
回転シャフト３２は、１対のベアリング３３，３３によってピニオン保持筒部３１内に回転可能に軸支されている。その一方のベアリング３３は、第１の延長スリーブ４１における軸方向の中間部に配置され、他方のベアリング３３は、第２の延長スリーブ４２における軸方向の中間部に配置されている。そして、回転シャフト３２のうちピニオン３４と反対側の端部は、ピニオン保持筒部３１から露出して前述の如くステアリングシャフト３８にスプライン結合されている。
【００１７】
ピニオン保持筒部３１内の両ベアリング３３，３３に挟まれた部分には、本発明に係る第１の回転位置センサ５０と、第２の回転位置センサ６０とが設けられている。第１及び第２の回転位置センサ５０，６０は、共にレゾルバであって、共通した構造（即ち、巻線の曲数、コアの形状が同じ構造）になっている。そして、第１の回転位置センサ５０のレゾルバロータ５１は第１の延長スリーブ４１の外周面に嵌合固定されると共に、そのレゾルバロータ５１に対応して第１の回転位置センサ５０のレゾルバロータ５２がピニオン保持筒部３１に内面に固定されている。即ち、第１の回転位置センサ５０は、第１の延長スリーブ４１を介してトーションバー４０の始端部４０Ａに取り付けられ、その始端部４０Ａの回転位置を検出する。
【００１８】
一方、第２の回転位置センサ６０のレゾルバロータ６１は第２の延長スリーブ４２の外周面に嵌合固定されると共に、そのレゾルバロータ６１に対応して第２の回転位置センサ６０のレゾルバステータ６２がピニオン保持筒部３１の内面に固定されている。即ち、第１の回転位置センサ５０は、第２の延長スリーブ４２を介してトーションバー４０の終端部４０Ｂに取り付けられ、その始端部４０Ａの回転位置を検出する。
【００１９】
なお、第１及び第２の回転位置センサ５０，６０のレゾルバは、レゾルバステータとレゾルバロータとの両方に巻線を備えた構造になっている。また、第１及び第２の回転位置センサ５０，６０の電線はピニオン保持筒部３１の上端部に設けた電線導出部３１Ｄから外部に引き出され、次述する操舵制御装置７０に接続されている。
【００２０】
図１に示すように操舵制御装置７０は、検出データ演算部７１、指令値決定部７２、モータ制御部７３及びモータ駆動回路７４を備えている。モータ駆動回路７４は、ＦＥＴの三相ブリッジインバータ回路になっており、バッテリ７５の出力から三相交流を生成することができる
【００２１】
検出データ演算部７１は、車速センサ１４にて検出した車速Ｖ、第１の回転位置センサ５０が検出した回転位置θ１、第２の回転位置センサ６０が検出した回転位置θ２及びその他運転状況に係る情報を取り込んでいる。そして、回転位置θ１，θ２に基づき、ハンドルにかかる負荷トルクＴｆを下記式（１）を用いて演算すると共にモータロータ２２の回転位置θ３を下記式（２）を用いて演算する。
【００２２】
Ｔ＝Ｋ１・Ｌ１・（θ２−θ１）    ・・・・・・・・・（１）
θ３＝Ｋ２・θ２            ・・・・・・・・・・・・（２）
【００２３】
ここで、上記式（１）における「Ｋ１」は、トーションバー４０の捻れ剛性の係数であり、「Ｌ１」は中間部４０Ｃの軸長である。また、上記式（２）における「Ｋ２」は、ラックアンドピニオン機構３５及びボールネジ機構２５の減速比によって定まる定数であって、ピニオン３４の１回転当たりのモータロータ２２の回転数である。
【００２４】
指令値決定部７２は、負荷トルクＴｆ及び車速Ｖとを含む所定の運転情報を検出データ演算部７１から取得し、予め定められた指令値決定データマップ（図示せず）に基づいて交流モータ２０に対する電流指令値を決定する。ここで、電流指令値は、ｄ−ｑ変換におけるｑ軸電流指令値として決定される。
【００２５】
図４には、モータ制御部７３の制御ブロックが示されている。モータ制御部７３は、モータ駆動回路７４に備えた図示しない各ＦＥＴをオンオフ駆動し、これによりバッテリ７５の出力が三相交流に変換されて交流モータ２０に付与される。このとき、モータ制御部７３は、指令値決定部７２から取得した電流指令値Ｉｑ１＊をｑ軸電流の指令値とし、ｄ軸電流の電流指令値Ｉｄ１＊を「０」として処理する。具体的には、モータ制御部７３では、ｑ軸用の電流制御器７３ｑが、ｑ軸電流の電流指令値Ｉｑ１＊と、後述する推定ｑ軸電流Ｉｑ３との偏差からｑ軸印加電圧Ｖｑ１＊を演算する。同様に、ｄ軸用の電流制御器７３ｄが、ｄ軸電流の電流指令値Ｉｄ１＊（＝０）と後述する推定ｄ軸電流Ｉｄ３との偏差からｄ軸印加電圧Ｖｄ１＊を演算する。そして、ｄ−ｑ逆変換器７３Ｇが、これらｑ軸とｄ軸の印加電圧Ｖｑ１＊，Ｖｄ１＊をｄ−ｑ逆変換して三相交流指令波Ｖｕ１＊，Ｖｖ１＊，Ｖｗ１＊を生成する。
【００２６】
すると、ＤＵＴＹ比制御部７３Ｄが、三相交流指令波Ｖｕ１＊，Ｖｖ１＊，Ｖｗ１＊に基づいてモータ駆動回路７４の各ＦＥＴのオンオフタイミングを決定して、それらＦＥＴをオンオフ駆動する。これにより、モータ駆動回路７４から交流モータ２０に三相交流電流が流される。そして、実際にモータ駆動回路７４から交流モータ２０に流される三相交流電流をｄ−ｑ変換器７３Ｈにて三相／ｄ−ｑ変換したｑ軸電圧Ｖｑ２とｄ軸電圧Ｖｄ２と、前記検出データ演算部７１が演算したモータロータ２２の回転位置θ３とに基づいて推定器７３Ｓが推定ｑ軸電流Ｉｑ３及び推定ｄ軸電流Ｉｄ３を演算する。より詳細には、モータ駆動回路７４である三相ブリッジインバータ回路の各相回路における中位点の電位を検出し、これら電位をｄ−ｑ変換器７３Ｈにて三相／ｄ−ｑ変換して、ｑ軸電圧Ｖｑ２とｄ軸電圧Ｖｄ２とを求める。そして、推定器７３Ｓが、それらｑ軸電圧Ｖｑ２，ｄ軸電圧Ｖｄ２と、モータロータ２２の回転位置θ３とを取得して、下記［数１］に基づいて、推定ｑ軸電流Ｉｑ３と、推定ｄ軸電流Ｉｄ３とを演算する。そして、これら推定ｑ軸電流Ｉｑ３及び推定ｄ軸電流Ｉｄ３を用いて、交流モータ２０の電流フィードバック制御を行う。即ち、本実施形態の電動パワーステアリング装置１０は、第２の回転位置センサ６０の検出結果に基づくモータロータ２２の回転位置θ３を用いて交流モータ２０の電流フィードバック制御を行う。
【００２７】
【数１】
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【００２８】
ここで、ω３はモータ回転角θ３の時間微分値である。また、Ｒは交流モータ２０の相回路と配線の抵抗の和、Ｌは交流モータ２０の巻線のインダクタンス、Ｋｅは逆起電圧定数である。また、上記［数１］の式は、参考文献「ＡＣサーボモータシステムの理論と実際」（出版社：総合電子、著者：杉本  英彦、小山  正人、玉井  伸三）の７３ページに記載されている公知の式に基づいて導出することができる。
【００２９】
このように本実施形態の電動パワーステアリング装置１０では、負荷トルクＴｆの検出に用いられる第２の回転位置センサ６０を、交流モータ２０の電流フィードバック制御に必要なモータロータ２２の回転位置検出にも兼用して用いたので、従来、３つ必要であった回転位置センサが２つで済み、コストダウンを図ることができる。しかも、第１と第２の回転位置センサ５０，６０を同一構造のレゾルバで構成したので部品が共通化され、この点においてもコストダウンを図ることができる。
【００３０】
［第２実施形態］
本実施形態の電動パワーステアリング装置１０は、図５及び図６に示されており、前記第１実施形態で説明したピニオン保持筒部３１から第２の回転位置センサ６０を排除し、その代わりに、モータロータ２２に第２の回転位置センサ６５を取り付けた構成になっている。以下、第１実施形態と異なる構成に関してのみ説明し、第１実施形態と共通した構成に関しては同一符号を付して重複した説明は省略する。
【００３１】
本実施形態の第２の回転位置センサ６５は、筒形ハウジング１１の内面に固定されたレゾルバステータ６７と、モータロータ２２の外面に固定されたレゾルバロータ６６とからなる。また、レゾルバロータ６６は、図６に示すように、外周面が波形状の磁性体であり、レゾルバステータ６７にのみ巻線が備えられている。また、レゾルバステータ６７の外周面からはコネクタ部６５Ｃが突出しており、このコネクタ部６５Ｃが筒形ハウジング１１の外面に露出し、操舵制御装置７０に接続されている。そして、レゾルバロータ６６がモータロータ２２と共に回転すると、レゾルバステータ６７に生じる磁気特性が変化し、磁気特性の変化に基づいてレゾルバロータ６６の回転位置（即ち、モータロータ２２の回転位置）が検出されて操舵制御装置７０が取り込まれる。
【００３２】
本実施形態の検出データ演算部７１には、第１及び第２の回転位置センサ５０，６５が検出した回転位置θ１，θ２の差Δθと、その差Δθが生じた場合に回転シャフト３２にかかっている負荷トルクＴｆとを対応させたトルク演算データマップが備えられている。このトルク演算データマップは、例えば、実験的に回転シャフト３２にかける負荷トルクＴｆを徐々に変化させ回転位置θ１，θ２の差Δθの変化を実測して作成されている。そして、検出データ演算部７１は、第２の回転位置センサ６５が検出した回転位置θ２をモータロータ２２の回転位置θ３（＝θ２）として取得すると共に、第１及び第２の回転位置センサ６０，６５による回転位置θ１，θ２の差Δθに基づき、上記トルク演算データマップから負荷トルクＴｆを演算する。次いで、前記第１実施形態と同様に、負荷トルクＴｆと、モータロータ２２の回転位置θ３とを用いて交流モータ２０の電流フィードバック制御を行う
【００３３】
本実施形態の構成は、第１実施形態と同様に、負荷トルクＴｆの検出に用いられる第２の回転位置センサ６０を、交流モータ２０の電流フィードバック制御に必要な回転位置検出にも兼用して用いたので、従来、３つ必要であった回転位置センサが２つで済み、コストダウンを図ることができる。
【００３４】
［他の実施形態］
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
【００３５】
（１）前記第１実施形態では、第１と第２の回転位置センサ５０，６０が同一構造のレゾルバで構成されていたが、これら第１と第２の回転位置センサを異なる構造（異なる大きさ、異なる極数）のレゾルバで構成してもよい。
【００３６】
（２）また、第１と第２の回転位置センサは、レゾルバに限定されるものではなく、例えば、エンコーダであってもよい。
【００３７】
（３）前記第２実施形態のように第１と第２の回転位置センサ５０，６５の間にラックアンドピニオン機構３５が介在する場合であっても、第１実施形態と同様に、演算式を用いて負荷トルクを演算してもよい。この場合、演算式は必ずしも１次式でなくてもよい。
【００３８】
（４）前記第１実施形態のように第１と第２の回転位置センサ５０，６０の間にラックアンドピニオン機構３５が介在しない場合であっても、第２実施形態と同様にトルク演算データマップを用いて負荷トルクを演算してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電動パワーステアリング装置の側断面図
【図２】電動パワーステアリング装置の一部を拡大した側断面図
【図３】第１及び第２の回転位置センサの断面図
【図４】モータ制御部のブロック図
【図５】第２実施形態の電動パワーステアリング装置の一部を拡大した側断面図
【図６】その電動パワーステアリング装置の横断面図
【符号の説明】
【００４０】
１０    電動パワーステアリング装置
１２    直動シャフト
１３    転舵輪
２０    交流モータ
２２    モータロータ
２５    ボールネジ機構
２８    モータロータ
３２    回転シャフト
３５    ラックアンドピニオン機構
３９    ハンドル
４０    トーションバー
４０Ａ    始端部
４０Ｂ    終端部
５０    第１の回転位置センサ
６０，６５    第２の回転位置センサ
７１    検出データ演算部（負荷トルク演算部）
７２    指令値決定部
７３    モータ制御部
Ｔｆ    負荷トルク
θ１，θ２    回転位置
【図１】
2007253703.tif 000004
【図２】
2007253703.tif 000005
【図３】
2007253703.tif 000006
【図４】
2007253703.tif 000007
【図５】
2007253703.tif 000008
【図６】
2007253703.tif 000009