JP2009047542A - トルク検出装置および操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ねじれ角を用いずにトルクを検出するトルク検出装置を提供する。
【解決手段】ステアリングシャフト２の上側部２ａに追加的なトルクを与えるためのトルク検出用モータ２１を設ける。角度センサ２４は上側部２ａの回転角θａを検知し、角度センサ２５はピニオン８の回転角θｂを検知する。トルク検出用モータ制御部２３は、回転角θａ、θｂの差がゼロになるように、トルク検出用モータ２１を駆動制御する。電流センサ２６は、トルク検出用モータ２１に流れる電流Ｉｄを検知する。トルク算出部２７は、検知された電流Ｉｄに基づき、ステアリングシャフト２に作用する操舵トルクＴを求める。求めた操舵トルクＴは、操舵補助用モータ１１で発生させる操舵補助力を決定するときに使用される。
【選択図】図１

Description

本発明は、入力軸に作用するトルクを検出するトルク検出装置、および、これを用いた操舵装置に関する。

近年の車両には、油圧系や電動モータを用いたパワーステアリング装置が搭載されている。パワーステアリング装置で発生させる操舵補助力を決定するためには、運転者がステアリングホイール（ハンドル）およびステアリングシャフトに与えた操舵トルクを検出する必要がある。

従来から、ステアリングシャフトに作用するトルクを検出する方法として、ステアリングホイールとラックピニオン機構の間にトーションバーを設け、トルクによって生じるトーションバーのねじれ角を検出する方法が広く用いられている。

なお、本件発明に関連して、特許文献１には、入力軸と一対の出力軸を有する差動装置の一方の出力軸にトルク発生装置を設け、出力軸の回転速度が等しくなるようにトルク発生装置を制御したときの入力電流に基づき、入力軸から他方の出力軸に伝達されるトルクを求めることが記載されている。
特開平７−９２０４１号公報

しかしながら、トーションバーを用いてステアリングシャフトに作用するトルクを検出する方法には、トーションバーのねじり剛性が低いために、操舵系の剛性感が希薄となり、操舵感が損なわれるという問題がある。この方法では、トルクを検出するためにねじれ角を意図的に発生させているが、ねじれ角の存在が操舵感を損なう原因となっている。

それ故に、本発明は、ねじれ角を用いずにトルクを検出するトルク検出装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、入力軸に作用するトルクを検出するトルク検出装置であって、
前記入力軸に追加的なトルクを与えるためのモータと、
前記入力軸の回転角と、当該回転角と比較可能に換算された出力側部材の動き量との差が零になるように前記モータを駆動制御するモータ制御手段と、
前記モータに流れる電流を検出するモータ電流検出手段と、
前記モータ電流検出手段で検出された電流に基づき、前記入力軸に作用するトルクを求めるトルク算出手段とを備える。

第２の発明は、第１の発明において、
前記入力軸の回転角と出力軸の回転角との差を検知するセンサをさらに備える。

第３の発明は、第１の発明において、
前記入力軸の回転角を検知する第１のセンサと、
前記出力側部材の動き量を検知する第２のセンサとをさらに備える。

第４の発明は、第３の発明において、
前記第２のセンサは、前記出力側部材の回転角を検知することを特徴とする。

第５の発明は、第３の発明において、
前記第２のセンサは、前記出力側部材の移動量を検知することを特徴とする。

第６の発明は、第１〜第５のいずれかの発明に係るトルク検出装置を用いて、ステアリングシャフトに作用するトルクを検出することを特徴とする操舵装置である。

上記第１の発明によれば、入力軸の回転角と出力側部材の動き量が対応するようにモータを駆動制御し、そのときのモータ電流に基づきトルクを求めることにより、結果的にねじれ角を発生させずにトルクを検出することができる。また、ねじれ角を発生させるために設けた部材を除去したり、当該部材のねじり剛性を高くしたりするなどして、入力軸が回転したときに出力側部材が追随性良く動くようにすることができる。

上記第２の発明によれば、回転角の差を検知する１個のセンサを用いて入力軸と出力軸の回転角の差を検知し、検知した差が零になるようにモータを駆動制御したときのモータ電流に基づきトルクを求めることにより、結果的にねじれ角を発生させずにトルクを検出することができる。

上記第３の発明によれば、２個のセンサを用いて入力軸の回転角と出力側部材の動き量を検知し、入力軸の回転角と出力側部材の動き量が対応するようにモータを駆動制御したときのモータ電流に基づきトルクを求めることにより、結果的にねじれ角を発生させずにトルクを検出することができる。

上記第４の発明によれば、２個の角度センサを用いて入力軸と出力側部材の回転角を検知し、入力軸の回転角と出力側部材の回転角が対応するようにモータを駆動制御したときのモータ電流に基づきトルクを求めることにより、結果的にねじれ角を発生させずにトルクを検出することができる。

上記第５の発明によれば、角度センサと変位センサを用いて入力軸と出力側部材の移動量を検知し、入力軸の回転角と出力側部材の移動量が対応するようにモータを駆動制御したときのモータ電流に基づきトルクを求めることにより、結果的にねじれ角を発生させずにトルクを検出することができる。

上記第６の発明によれば、結果的にねじれ角を発生させずにステアリングシャフトに作用するトルクを検出できるので、トーションバーを除去したり、トーションバーのねじり剛性を高くしたりするなどして、操舵系の剛性感を高め、操舵感を改善することができる。

図１は、本発明の実施形態に係るトルク検出装置を備えた車両の操舵装置の構成を示す図である。図１に示すように、ステアリングシャフト２は上側部２ａと下側部２ｂに分断され、両者の間にはトーションバー３が設けられている。上側部２ａの上端にはステアリングホイール１が固着されており、下側部２ｂの下端はラックピニオン機構４のラック軸５に連結されている。ラック軸５の両端は、タイロッドおよびナックルアームからなる連結部材６を介してタイヤ７に連結されている。運転者がステアリングホイール１を回転させると、ステアリングシャフト２は回転し、これに伴いラック軸５は往復運動を行う。ラック軸５の往復運動に伴い、タイヤ７の向きが変わる。

この操舵装置には、操舵補助用モータ１１を含む電動パワーステアリング装置が設けられている。操舵補助用モータ１１は、操舵補助用モータ制御部１３からの制御に従い、操舵補助力を発生させる。操舵補助用モータ１１で発生した操舵補助力は、減速機１２を介してステアリングシャフト２の下側部２ｂに与えられる。

操舵補助用モータ１１で好適な操舵補助力を発生させるためには、車両の車速Ｖと、運転者がステアリングホイール１およびステアリングシャフト２に与えた操舵トルクＴを検出する必要がある。このため、操舵装置には、車速Ｖを検知する車速センサ１４が設けられている。操舵トルクＴは、トルク検出用モータ２１、減速機２２、トルク検出用モータ制御部２３、角度センサ２４、２５、電流センサ２６、および、トルク算出部２７を備えたトルク検出装置によって検出される。

トルク検出用モータ２１は、トルク検出用モータ制御部２３からの制御に従い、操舵トルクを検出するために追加的なトルクを発生させる。トルク検出用モータ２１で発生したトルクは、減速機２２を介してステアリングシャフト２の上側部２ａに与えられる。

角度センサ２４は、ステアリングシャフト２の上側部２ａの回転角θａを検知する。ステアリングホイール１と上側部２ａは一体となって回転するので、角度センサ２４はステアリングホイール１の回転角を検知するとも言える。角度センサ２５は、ラックピニオン機構４に含まれるピニオン８の回転角θｂを検知する。ピニオン８と下側部２ｂとは一体となって回転するので、角度センサ２５はステアリングシャフト２の下側部２ｂの回転角を検知するとも言える。

角度センサ２４で検知された回転角θａと、角度センサ２５で検知された回転角θｂは、トルク検出用モータ制御部２３に入力される。トルク検出用モータ制御部２３は、回転角θａと回転角θｂの差を求め、求めた差がゼロになるようにトルク検出用モータ２１を駆動制御する（角度差ゼロ制御）。

例えば、運転者がステアリングホイール１を運転者から見て時計回り方向に回転させる場合を考える。この場合、ステアリングシャフト２の上側部２ａと下側部２ｂには当該方向のトルクが作用し、上側部２ａと下側部２ｂはどちらも当該方向に回転する。しかし、上側部２ａと下側部２ｂの間にはねじり弾性を有するトーションバー３が設けられているので、下側部２ｂは上側部２ａよりも遅れて回転し、回転角θｂは回転角θａよりも小さくなる。トルク検出用モータ制御部２３は、回転角θａと回転角θｂの差がゼロになるように、ステアリングシャフト２の上側部２ａに運転者から見て反時計回り方向のトルクが与えられるようにトルク検出用モータ２１を駆動制御する。

電流センサ２６は、このとき（すなわち、回転角θａと回転角θｂの差がゼロになるようにトルク検出用モータ２１を駆動制御したとき）にトルク検出用モータ２１に流れる電流Ｉｄを検知する。電流Ｉｄは、ステアリングシャフト２に作用する操舵トルクに応じて変化し、操舵トルクが大きいほど大きくなる。

トルク算出部２７は、電流センサ２６で検知された電流Ｉｄに基づき、ステアリングシャフト２の上側部２ａに作用する操舵トルクＴを求める。操舵トルクＴと電流Ｉｄには所定の関係があり、その関係は設計時にあるいは実験などで求めることができる。したがって、その関係を用いて、電流Ｉｄを操舵トルクＴに変換することができる。トルク算出部２７は、操舵トルクＴを計算で求めてもよく、テーブルを引くことにより求めてもよい。

トルク検出装置で検出された操舵トルクＴは、車速センサ１４で検知された車速Ｖと共に操舵補助用モータ制御部１３に供給され、操舵補助用モータ１１で発生させる操舵補助力を決定するときに使用される。

図２は、図１に示す操舵装置の力学モデルを示す図である。図２において、ばね上力学モデル３１とばね下力学モデル３４は、それぞれ、操舵装置のトーションバー３よりも上の部分と下の部分の特性を表す。タイヤ・路面３５は、タイヤ７と路面の特性を表す。操舵補助用モータ制御３３は操舵補助用モータ制御部１３とトルク算出部２７で行われる処理を表し、位置制御ループ３２はトルク検出用モータ制御部２３で行われる処理を表す。

位置制御ループ３２には、操舵角θａと実舵角θｂの差Δθが入力される。位置制御ループ３２では、角度差Δθに基づき、操舵トルクを検出するためにトルク検出用モータ２１で発生させる追加的なトルクＴ_TSと、そのときにトルク検出用モータ２１に流れる電流Ｉｄとが決定される。タイヤ・路面３５では、実舵角θｂに基づき、操舵装置が地面から受けるトルクが決定される。

操舵補助用モータ制御３３では、トルク検出用モータ２１に流れる電流Ｉｄに基づき操舵トルクが求められ、求めた操舵トルクと車速Ｖに基づき操舵補助用モータ１１で発生させる操舵補助力Ｔ_A が決定される。ばね上力学モデル３１では、運転者がステアリングシャフト２に与えた操舵トルクＴと位置制御ループ３２で決定されたトルクＴ_TSとの和に基づき、操舵角θａが決定される。ばね下力学モデル３４では、操舵トルクＴ、操舵補助用モータ制御３３で決定された操舵補助力Ｔ_A 、および、操舵装置が地面から受けるトルクの和に基づき、実舵角θｂが決定される。

図３は、位置制御ループ３２の詳細を示す図である。図３に示すように、位置制御ループ３２では、位置、速度および電流について、３重のフィードバック制御が行われる。まず、目標角度と実角度の差に基づき位置に関するＰＩ制御を行うことにより、目標速度が決定される。次に、目標速度と実速度との差に基づき速度に関するＰＩ制御を行うことにより、目標電流が決定される。さらに、目標電流と実電流との差に基づき電流に関するＰＩ制御を行うことにより、トルク検出用モータ２１に流すべき電流が決定される。トルク検出用モータ２１に実際に流れた電流が実電流として検知され、実電流を時間積分することにより実速度が算出され、実速度を時間積分することにより実角度が算出される。

以上に示すように、図１に示すトルク検出装置によれば、ステアリングシャフト２の上側部２ａの回転角θａとピニオン８の回転角θｂの回転角が対応するようにトルク検出用モータ２１を駆動制御し、そのときにトルク検出用モータ２１に流れる電流に基づき操舵トルクを求めることにより、結果的にねじれ角を発生させずに操舵トルクを検出することができる。また、ねじれ角を発生させるために設けたトーションバー３のねじり剛性を高くすることにより、ステアリングシャフト２が回転したときにピニオン８などの出力側部材が追随性良く動くようにすることができる。トーションバー３を除去しても、同様の効果が得られる。

また、図１に示す操舵装置によれば、ねじれ角を用いずにステアリングシャフト２に作用するトルクを検出できるので、トーションバー３を除去したり、トーションバー３のねじり剛性を高くしたりするなどして、操舵系の剛性感を高め、操舵感を改善することができる。

なお、本発明のトルク検出装置は、ピニオン８の回転角θｂを検知する角度センサ２５に代えて、ラック軸５の移動量を検知する変位センサや、タイヤ７の回転角を検知する角度センサや、ステアリングシャフト２の下側部２ｂの回転角を検出する角度センサなどを備えていてもよい。これらのセンサで検知される回転角および移動量は、いずれも、ステアリングシャフト２の上側部２ａの回転角θａと比較可能に換算できる。また、本発明のトルク検出装置は、ステアリングシャフト２の上側部２ａと下側部２ｂの回転角の差を検知する角度センサを１個備えていてもよい。

本発明のトルク検出装置では、トルク検出用モータ制御部２３は、ステアリングシャフト２の上側部２ａの回転角θａと、当該回転角と比較可能に換算された出力側部材の動き量との差がゼロになるように、トルク検出用モータ２１を駆動制御すればよい。このため、本発明のトルク検出装置は、上側部２ａの回転角を検知するセンサと、出力側部材の動き量（回転角または移動量）を検知するセンサを別々に備えていてもよく、上側部２ａと下側部２ｂの回転角の差を検知するセンサを備えていてもよい。２個のセンサを設けた場合には、高度な車両制御に必要なタイヤ角情報を取得することもできる。

また、図１に示すトルク検出装置はトーションバー３を備えることとしたが、本発明のトルク検出装置はトーションバー３を備えていなくてもよい。トーションバーを除去することにより、操舵系の剛性感をさらに高め、操舵感をさらに改善することができる。また、図１に示すトルク検出装置では、トルク検出用モータ２１は、減速機２２を介してステアリングシャフト２の上側部２ａに接続されていることとしたが、上側部２ａに直接接続されていてもよい。

また、本発明のトルク検出装置は、ステアリングホイール１と操舵輪が機構的に分離したステアバイワイヤシステムにも適用できる（図４を参照）。図４に示す操舵装置は、操舵補助用モータ１１と操舵補助用モータ制御部１３に代えて、操舵アクチュエータ９と操舵アクチュエータ制御部１５を備えている。変位センサ２８は、操舵アクチュエータ９の動き量を検知する。図４に示す操舵装置においても、図１に示す操舵装置と同様に、ねじれ角を用いずに操舵トルクＴを検出することができる。

本発明の実施形態に係るトルク検出装置を備えた車両の操舵装置の構成を示す図である。 図１に示す操舵装置の力学モデルを示す図である。 図２に示す位置制御ループの詳細を示す図である。 本発明の実施形態に係るトルク検出装置を備えた車両の操舵装置の他の構成を示す図である。

符号の説明

１…ステアリングホイール、２…ステアリングシャフト、３…トーションバー、４…ラックピニオン機構、５…ラック軸、６…連結部材、７…タイヤ、８…ピニオン、９…操舵アクチュエータ、１１…操舵補助用モータ、１２、２２…減速機、１３…操舵補助用モータ制御部、１４…車速センサ、１５…操舵アクチュエータ制御部、２１…トルク検出用モータ、２３…トルク検出用モータ制御部、２４、２５…角度センサ、２６…電流センサ、２７…トルク算出部、２８…変位センサ

Claims (6)

1. 入力軸に作用するトルクを検出するトルク検出装置であって、
   前記入力軸に追加的なトルクを与えるためのモータと、
   前記入力軸の回転角と、当該回転角と比較可能に換算された出力側部材の動き量との差が零になるように前記モータを駆動制御するモータ制御手段と、
   前記モータに流れる電流を検出するモータ電流検出手段と、
   前記モータ電流検出手段で検出された電流に基づき、前記入力軸に作用するトルクを求めるトルク算出手段とを備えた、トルク検出装置。
2. 前記入力軸の回転角と出力軸の回転角との差を検知するセンサをさらに備えた、請求項１に記載のトルク検出装置。
3. 前記入力軸の回転角を検知する第１のセンサと、
   前記出力側部材の動き量を検知する第２のセンサとをさらに備えた、請求項１に記載のトルク検出装置。
4. 前記第２のセンサは、前記出力側部材の回転角を検知することを特徴とする、請求項３に記載のトルク検出装置。
5. 前記第２のセンサは、前記出力側部材の移動量を検知することを特徴とする、請求項３に記載のトルク検出装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のトルク検出装置を用いて、ステアリングシャフトに作用するトルクを検出することを特徴とする、操舵装置。

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