JP2007015631A - 車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高精度の舵角制御を実現できる車両用操舵装置を提供する。
【解決手段】 舵角比可変装置１は、舵角アシストモータ７のモータ出力角度θ_mを検出するモータ角度センサ１１と、モータ出力角度θ_mに対する舵角比可変装置１の理想出力角度θ_out ^*と、舵角比可変装置１の実出力角度θ_outとに基づき、舵角比可変装置１の速度変化誤差Δ_mを無くすように舵角アシストモータ７を補償制御するコントロールユニット８と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ハンドルの操舵角に対する操向輪の転舵角の比である舵角比を可変する舵角比可変手段を備えた車両用操舵装置の技術分野に属する。

従来の車両用操舵装置は、遊星歯車機構とモータとからなる舵角比可変手段を用い、遊星歯車機構の減速比にモータ回転数をかけて出力することで、操向輪の転舵角を制御している。モータ回転数は、ウォームギア機構により減速され、遊星歯車機構に入力されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−２００６６６号公報

しかしながら、上記従来技術にあっては、ウォームギア機構に設けられたバックラッシ調整代により、モータ回転時にウォームギア機構の噛み合い状態が変化するため、回転伝達特性が変化し、舵角精度の悪化を招くという問題があった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、高精度の舵角制御を実現できる車両用操舵装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明では、
操舵入力軸と操舵出力軸との間に介装された変速機と、この変速機に連結された舵角比可変モータとを有する舵角比可変手段を備えた車両用操舵装置において、
前記舵角比可変モータのモータ出力角度を検出するモータ角度検出手段と、
前記モータ出力角度に対する前記舵角比可変手段の理想出力角度と、前記舵角比可変手段の実出力角度とに基づき、舵角比可変手段の速度変化誤差を無くすように前記舵角比可変モータを補償制御する舵角比制御手段と、
を備えることを特徴とする。
ここで、「理想出力角度」とは、モータ出力角度に対し、速度変化誤差が生じない場合の理想的な舵角比可変手段の出力角度をいう。

本発明によれば、理想出力角度に対する速度変化誤差を無くすように舵角比可変モータが補償制御されるため、モータ出力から舵角比可変手段の出力までの速度変化誤差に伴う舵角制御の乱れを抑制でき、制御精度を高めることができる。

以下に、本発明の車両用操舵装置を実施するための最良の形態を、図面に基づく実施例１，２により説明する。

まず、構成を説明する。
図１は、本発明の車両用操舵装置を適用した車両用操舵装置の構成を示すシステムブロック図である。

実施例１の舵角比可変装置（舵角比可変手段）１は、ハンドル２の操舵角に対する操向輪３の転舵角の比である舵角比を可変するもので、ハンドル２に連結した入力軸（操舵入力軸）４と、操向輪３に連結した転舵装置５を駆動する出力軸（操舵出力軸）６の経路の途中に設けられている。

この舵角比可変装置１は、舵角アシストモータ（舵角比可変モータ）７を備え、この舵角アシストモータ７の回転数および回転方向を制御することにより、入力軸４への入力を変速して出力軸６に出力する。舵角アシストモータ７に供給される電流は、コントロールユニット（舵角比制御手段）８により制御されている。

コントロールユニット８は、入力軸４の回転角度であるハンドル（入力）角度を検出するハンドル角度センサ９の出力と、出力軸６の回転角度である出力角度を検出する出力角度センサ１０の出力と、舵角アシストモータ７の回転角であるモータ角度を検出するモータ角度センサ（モータ角度検出手段）１１と、車速を検出する車速センサ１２とから目標転舵角を演算し、実転舵角が目標転舵角と一致するように、舵角アシストモータ７をサーボ制御する。

図２は、実施例１の舵角比可変装置１の構成図であり、舵角比可変装置１は、入力軸４からの入力を減速し、出力軸６へ出力する遊星ローラ機構（変速機）１３と、舵角アシストモータ７の出力を減速して遊星ローラ機構１３へ出力するウォーム軸１４ａとウォームホイール１４ｂとからなるウォームギア機構１４と、を備えている。

遊星ローラ機構１３は、図３の模式図に示すように、ピニオンローラ１３ｂを支持するキャリア１３ｄと、サンローラ１３ａと、リングローラ１３ｃとから構成されている。そして、ピニオンローラ１３ｂは、サンローラ１３ａとリングローラ１３ｃとに噛み合いながら接している。サンローラ１３ａは、入力軸４と連結され、キャリア１３ｄは、出力軸６と連結されている。また、リングローラ１３ｃは、舵角アシストモータ７とウォームギア機構１４を介して連結されている。

図４は、コントロールユニット８の可変舵角比制御ロジックを示すブロック図である。
乗算器２０ａは、入力軸４からの入力角度θ_hに対し、遊星ローラ速比K_R1を乗算した値を出力する。乗算器２０ｂは、入力角度θ_hに対し、遊星ローラすべりΔ_R1を乗算した値を出力する。加算器２０ｃは、乗算器２０ａと乗算器２０ｂの出力を加算した値を出力する。

入出力規範モデル２０ｄは、ハンドル入力から出力への理想モデルが記憶され、入力角度θ_hを入力し、理想出力角度θ_out ^*を出力する。オブザーバ（観測器）２０ｅは、実出力角度θ_outから、モデル化誤差やパラメータ変動などの外乱を取り除いた値θ_out'を出力する。比較器２０ｆは、理想出力角度θ_out ^*と実出力角度θ_out'の差を取り、ハンドル２から出力軸７までの回転誤差成分（速度変化誤差）Δ_R1を出力する。

乗算器２０ｇは、舵角アシストモータ７からの入力角度θ_mに対し、ウォームギア比K_Wを乗算した値を出力する。乗算器２０ｈは、乗算器２０ｇの出力に対し、遊星ローラ速比K_R2を乗算した値を出力する。乗算器２０ｉは、舵角アシストモータ７からの入力角度θ_mに対し、ウォーム回転乱れおよび遊星ローラすべりの両方を含む成分（速度変化誤差）Δ_mを乗算した値を出力する。加算器２０ｊは、乗算器２０ｈと乗算器２０ｉの出力を加算した値を出力する。加算器２０ｋは、加算器２０ｃと加算器２０ｊの出力を加算した値、すなわち出力角度θ_outを出力する。

モータ規範モデル２０ｍは、モータ入力から出力への理想モデルが記憶され、舵角アシストモータ７からの入力角度θ_mを入力し、理想出力角度θ_out ^*を出力する。オブザーバ（観測器）２０ｅは、実出力角度θ_outから、モデル化誤差やパラメータ変動などの外乱を取り除いた値θ_out'を出力する。オブザーバ（観測器）２０ｎは、オブザーバ２０ｅと同様に、実出力角度θ_outから、モデル化誤差やパラメータ変動などの外乱を取り除いた値θ_out'を出力する。

比較器２０ｐは、理想出力角度θ_out ^*と実出力角度θ_out'の差を取り、舵角アシストモータ７から出力軸７までの回転誤差成分Δ_mを出力する。アシスト量計算＋モータ出力部２０ｑは、ハンドル２からの入力角度θ_hと、ハンドル２から出力軸７までの回転誤差成分Δ_R1と、舵角アシストモータ７から出力軸７までの回転誤差成分Δ_mとを入力し、両回転誤差成分Δ_R1，Δ_mを補償するモータ出力角度θ_mを出力する。

次に、作用を説明する。
［モータ出力角度算出方法］
実施例１の舵角比可変装置１では、ハンドル２からの操舵入力を、遊星ローラ機構１３の一要素（サンローラ１３ａ）に接続し、他の要素（キャリア１３ｄ）に出力軸６を接続している。そして、残りの要素（リングローラ１３ｃ）に舵角アシストモータ７からの入力を接続することで、入力軸４からの入力角度θ_hと舵角比可変装置１の舵角アシストモータ７からの入力角度θ_mを足し合わせ、出力角度θ_outを制御することができる。
θ_out = K_h×θ_h + K_m×θ_m …(1)
但し、K_h：入力軸−出力軸間角度伝達比
K_m：モータ-出力軸間角度伝達比

このような車両用操舵装置１において、遊星ローラ機構１３の各回転要素の設計伝達比を、入力軸４から出力軸６への伝達比をK_R1、舵角アシストモータ７から遊星ローラ機構１３までの伝達比をK_W、遊星ローラ機構１３のモータ入力から出力軸６への伝達比をK_R2とすると、各入出力の理想的な関係は、図５に示すようになる。ここで、式(1)との関係は、下記の式(2)で表される。
K_h = K_R1 , K_m = K_W × K_R2 …(2)
ただし、ここでモータ回転角度はハンドル入力角度および複数の車両状態の情報に基づいて決定し制御することとする。

ここで、実施例１のように、舵角アシストモータ７から遊星ローラ機構１３までの減速にウォームギア機構１４を用いる場合、ウォームギア機構１４の噛み合いの揺らぎにより、ウォーム軸１４ａが一定回転をしていても、ウォームホイール１４ｂの回転が安定しない。そのため、厳密な角度出力を行うためには、ウォームギア機構１４にて発生する回転揺らぎ成分を推定する必要がある。

また、遊星ローラ機構１３は、トラクション伝達であり、伝達トルクや回転速度、潤滑状態などによって伝達面のすべり率が変化するため、状況によって見た目の減速比が変化する。

図６に示すように、各要素のもつ速比変化分をΔで表すと、
θ_out = (K_R1＋Δ_R1)×θ_h + (K_W＋Δ_W)×(K_R2＋Δ_R2)×θ_m
= K_R1×θ_h + K_W×K_R2×θ_m＋Δ_R1×θ_h＋(K_WΔ_R2＋K_R2Δ_W＋Δ_WΔ_R2)×θ_m
= K_R1×θ_h + K_W×K_R2×θ_m＋Δ_R1×θ_h＋Δ_m×θ_m …(3)
となる。よって、安定した舵角アシストを行うためには、回転誤差成分Δ_R1，Δ_mを推定することが必要である。そこで、ハンドル２からの入力角度θ_hと舵角比可変装置１の出力角度θ_outに加え、モータ回転角度θ_mを計測することで、式(3)の回転誤差成分を推定する手法を、図６に示す。

すなわち、ハンドル入力から出力への理想モデル（入出力規範モデル２０ｄ）の出力θ_out ^*と、実出力角度θ_outとの比較から、舵角アシストモータ７がアシストすべき角度を決定する。この際、ハンドル角度θ_hと出力角度θ_outを計測し、出力角度θ_outを目標値に追従するよう制御することで、ハンドル入力からの回転誤差成分Δ_R1の影響を特に意識することなく、舵角アシストモータ７のアシスト角度θ_mによって回転誤差成分Δ_R1を補償することができる。

また、モータ角度θ_mを計測し、モータ入力から出力への理想モデル（モータ規範モデル２０ｍ）を用い比較を行うことで、舵角アシストモータ７から出力軸６までの回転誤差成分Δ_mを推定することができる。この誤差成分Δ_mを補償するよう、舵角アシストモータ７への回転指令に補償を加えることで、目標追従性を向上させることができる。

図６および式(3)において、Δ_mはトラクションドライブ（遊星ローラ機構１３のすべり）とウォームギア機構１４の回転乱れとの両方の影響を合わせた誤差成分であり、それぞれを分けて推定する必要がないことを示している。

また、遊星ローラ機構１３の伝達比は、各ローラの径の比によって決まる。そのため、製造時に生じる直径の加工精度や、リングローラ１３ｃの締め代によって伝達比が設計値からわずかにずれてしまう。また、ウォームギア機構１４は歯面のすべりによって力を伝達しているため、歯面の精度によって伝達比が揺らいでしまうことがある。このように、個体によって製造段階で生じる誤差については、初回起動時にキャリブレーション動作を行い、その結果をコントロールユニットに記憶することで、個体特有の定常誤差を補償することができる。

［バックラッシによる舵角制御悪化について］
減速機構としてウォームギア機構を用いた車両用操舵装置（例えば、特開２００１−２００６６６号公報）では、モータ回転数に減速比を掛けて出力角度を算出し、操向輪の転舵角を制御しているが、ウォームギア機構は歯車の噛み合い精度の要件が厳しく、ガタやフリクションを発生しやすい。そのため、ウォーム軸の位置を微調整することで歯車のバックラッシ量を調節する複リードウォームギア機構など、噛み合いを調整可能なものが多く用いられている。ところが、噛み合い調整可能な構造のウォームギア機構には、バックラッシ量の調節代が設定されているため、回転に伴いウォーム軸とウォームホイールの噛み合い状態が変化する。これにより、減速比などの回転伝達状態が変化し、舵角制御の精度悪化を招くという問題があった。

［ローラのすべりによる舵角制御悪化について］
一方、特開平８−２９１８４８号公報に記載の車両用操舵装置では、車両用操舵装置の減速機として遊星ローラ機構を用いることで、操舵感を向上させるとともに回転時の騒音を小さくしているが、回転に伴い発生するローラ面のすべりによって、動的に減速比が変化してしまう。遊星ローラによる減速比変化量は、回転速度や潤滑状態、周辺温度など、様々な要因によって変化するため、正確な減速比が計算できないという問題点があった。

［実施例１の舵角制御作用］
これに対し、実施例１の車両用操舵装置では、入力角度θ_hと出力角度θ_outに加え、モータ回転角度θ_mを直接計測し、モータ回転角度θ_mとモータ規範モデル２０ｍにより得られる理想値θ_out ^*と実出力角度θ_outとの比較を行うことで、舵角アシストモータ７から出力軸６までの回転誤差成分Δ_mを推定する。また、入力角度θ_hと入出力規範モデル２０ｄにより得られる理想値θ_out ^*と実出力角度θ_outとの比較を行うことで、入力軸４から出力軸６までの回転誤差成分Δ_R1を推定する。

すなわち、入力角度θ_h、出力角度θ_outに加え、モータ回転角度θ_mを検出することで、舵角比可変装置１におけるモータ回転の伝達経路上で生じる回転誤差成分Δ_mと、ハンドル回転の伝達経路上で生じる回転誤差成分Δ_R1とを、精度良く推定できる。

そして、２つの回転誤差成分Δ_m，Δ_R1を打ち消すように、舵角アシストモータ７への回転指令に補償を加えることで、ウォームギア機構１４のセルフロック特性によるモータ故障時の操舵機能維持、および遊星ローラ機構１３のトルク伝達特性による滑らかな操舵感の実現を図りつつ、遊星ローラすべりおよびウォーム回転乱れに伴う舵角制御の精度悪化を抑制でき、舵角制御の精度を高めることができる。

次に、実施例１の効果を説明する。
実施例１の車両用操舵装置にあっては、以下に列挙する効果が得られる。

(1) 舵角アシストモータ７のモータ出力角度θ_mを検出するモータ角度センサ１１と、モータ出力角度θ_mに対する舵角比可変装置１の理想出力角度θ_out ^*と、舵角比可変装置１の実出力角度θ_outとに基づき、舵角比可変装置１の速度変化誤差Δ_mを無くすように舵角アシストモータ７を補償制御するコントロールユニット８と、を備える。よって、理想出力角度θ_out ^*に対する速度変化誤差Δ_mを無くすように舵角アシストモータ７が補償制御されるため、モータ出力から出力軸６までの速度変化誤差Δ_mに伴う舵角制御の乱れを抑制でき、制御精度を高めることができる。

(2) 舵角アシストモータ７は、モータ出力を減速して変速機（遊星ローラ機構１３）へ伝達するウォームギア機構１４を備え、コントロールユニット８は、モータ出力角度θ_mに対する舵角比可変装置１の理想出力角度θ_out ^*と、実出力角度θ_out'との偏差から、ウォームギア機構１４の噛み合い誤差による速度変化誤差Δ_mを推定し、この噛み合い誤差による速度変化誤差Δ_mを補償する。よって、ウォームギア機構１４のセルフロック特性によりモータ故障時における通常の操舵機能の維持を図りつつ、ウォームギア機構１４の噛み合い精度によって回転伝達に誤差が生じる場合にも目標角度に対する出力軸角度の追従性を向上させることができる。

(3) 変速機は、遊星ローラ機構１３であり、コントロールユニット８は、入力角度θ_hに対する舵角比可変装置１の理想出力角度θ_out ^*と、実出力角度θ_out'との偏差から、遊星ローラ機構１３のすべりによる速度変化誤差Δ_R1を推定し、このすべりによる速度変化誤差Δ_R1を補償する。よって、操舵感の向上を図りつつ、ローラのすべりに起因する出力軸６の回転遅れを補償でき、目標角度に対する出力軸角度の追従性を向上させることができる。

(4) コントロールユニット８は、モータ出力角度θ_mを入力とし、モータ出力角度θ_mに対する舵角比可変装置１の理想出力角度θ_out ^*を出力するモータ規範モデル２０ｍを備えるため、ウォームギア機構１４による減速比誤差と遊星ローラ機構１３のすべりに起因する伝達誤差を区別することなく推定できる。

(5) コントロールユニット８は、入力角度θ_hを入力とし、入力角度θ_hに対する舵角比可変装置１の理想出力角度θ_out ^*を出力する入出力規範モデル２０ｄを備えるため、遊星ローラ機構１３のすべりによる減速比誤差をより正確に推定できる。

(6) コントロールユニット８は、モータ規範モデル２０ｍに入力するモータ出力角度θ_mを、入出力規範モデル２０ｄの出力θ_out ^*と実出力角度θ_outとの偏差Δ_R1を、モータ出力角度θ_mに加算した値とする。よって、ウォームギア機構１４による減速比誤差を、遊星ローラ機構１３のすべりに起因する減速比誤差と区別して推定でき、減速比誤差Δ_mの推定精度を高めることができる。

(7) コントロールユニット８は、初回起動時、モータ出力角度θ_mに対する舵角比可変装置１の理想出力角度θ_out ^*と、舵角比可変装置１の実出力角度θ_outとの偏差を定常速度変化誤差として記憶し、舵角制御の際に補償を行う。よって、ウォームギア機構１４の個体差によって製造段階で生じる定常誤差を補償でき、制御精度をより高めることができる。

(8) コントロールユニット８は、初回起動時、入力角度θ_hに対する舵角比可変装置１の理想出力角度θ_out ^*と、舵角比可変装置１の実出力角度θ_outとの偏差を定常速度変化誤差として記憶し、舵角制御の際に補償を行う。よって、遊星ローラ機構１３の各ローラ径やリングローラ１３ｃの締め代のばらつきによって生じる定常誤差を補償でき、制御精度をより高めることができる。

実施例２は、舵角比可変装置の変速機を、２つの遊星ローラ機構で構成した例である。
図７は、実施例２の舵角比可変装置３０の構成を示す模式図である。なお、実施例１と同一の構成部分には、同一符号を付して説明を省略する。

実施例２の舵角比可変装置は、図３に示した実施例１の構成に対し、入力軸４と遊星ローラ機構１３との間に、遊星ローラ機構３１が介装されている。この遊星ローラ機構３１は、遊星ローラ機構１３と同一形状であり、キャリア３１ｄが入力軸４と連結され、サンローラ３１ａが回転メンバ３２を介して遊星ローラ機構１３のサンローラ１３ａと連結されている。また、リングローラ１３ｃは、ハウジング３３に固定されている。

このように、２つの遊星ローラ機構１３，３１を対向して配置した舵角比可変装置３０を用いることで、舵角アシストモータ７の故障時、舵角比可変装置３０の入出力比を１：１とすることができ、舵角比可変装置を搭載していない通常の車両用操舵装置と同一の操舵特性が得られる。

（他の実施例）
以上、本発明を実施するための最良の形態を、実施例１，２に基づいて説明したが、具体的な構成については、各実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。

本発明の車両用操舵装置を適用した車両用操舵装置の構成を示すシステムブロック図である。 実施例１の舵角比可変装置１の構成図である。 実施例１の舵角比可変装置１の模式図である。 実施例１のコントロールユニット８の舵角制御ロジックを示すブロック図である。 実施例１の舵角比可変装置１における各入出力の理想的な関係を示す説明図である。 実施例１の回転誤差成分推定方法を示す説明図である。 実施例２の舵角比可変装置１の模式図である。

符号の説明

１ 舵角比可変装置
２ ハンドル
３ 操向輪
４ 入力軸
５ 転舵装置
６ 出力軸
７ 舵角アシストモータ
８ コントロールユニット
９ ハンドル角度センサ
１０ 出力角度センサ
１１ モータ角度センサ
１２ 車速センサ
１３ 遊星ローラ機構
１４ ウォームギア機構
２０ｄ 入出力規範モデル
２０ｍ モータ規範モデル

Claims (9)

1. 操舵入力軸と操舵出力軸との間に介装された変速機と、この変速機に連結された舵角比可変モータとを有する舵角比可変手段を備えた車両用操舵装置において、
   前記舵角比可変モータのモータ出力角度を検出するモータ角度検出手段と、
   前記モータ出力角度に対する前記舵角比可変手段の理想出力角度と、前記舵角比可変手段の実出力角度とに基づき、舵角比可変手段の速度変化誤差を無くすように前記舵角比可変モータを補償制御する舵角比制御手段と、
   を備えることを特徴とする車両用操舵装置。
2. 請求項１に記載の車両用操舵装置において、
   前記舵角比可変モータは、モータ出力を減速して前記変速機へ伝達するウォームギア機構を備え、
   前記舵角比制御手段は、前記モータ出力角度に対する前記舵角比可変手段の理想出力角度と、実出力角度との偏差から、前記ウォームギア機構の噛み合い誤差による速度変化誤差を推定し、この噛み合い誤差による速度変化誤差を補償することを特徴とする車両用操舵装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の車両用操舵装置において、
   前記変速機は、遊星ローラ機構であり、
   前記舵角比制御手段は、前記入力角度に対する前記舵角比可変手段の理想出力角度と、前記実出力角度との偏差から、前記遊星ローラ機構のすべりによる速度変化誤差を推定し、このすべりによる速度変化誤差を補償することを特徴とする車両用操舵装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の車両用操舵装置において、
   前記舵角比制御手段は、前記モータ出力角度を入力とし、前記モータ出力角度に対する前記舵角比可変手段の理想出力角度を出力するモータ規範モデルを備えることを特徴とする車両用操舵装置。
5. 請求項４に記載の車両用操舵装置において、
   前記舵角比制御手段は、前記入力角度を入力とし、前記入力角度に対する前記舵角比可変手段の理想出力角度を出力する入出力規範モデルを備えることを特徴とする車両用操舵装置。
6. 請求項５に記載の車両用装置装置において、
   前記舵角比制御手段は、前記モータ規範モデルに入力するモータ出力角度を、前記入出力規範モデルの出力と前記実出力角度との偏差を、前記モータ出力角度に加算した値とすることを特徴とする車両用操舵装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の車両用操舵装置において、
   前記舵角比制御手段は、初回起動時、前記モータ出力角度に対する前記舵角比可変手段の理想出力角度と、前記舵角比可変手段の実出力角度との偏差を定常速度変化誤差として記憶し、舵角制御の際に補償を行うことを特徴とする車両用操舵装置。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の車両用操舵装置において、
   前記舵角比制御手段は、初回起動時、前記入力角度に対する前記舵角比可変手段の理想出力角度と、前記舵角比可変手段の実出力角度との偏差を定常速度変化誤差として記憶し、舵角制御の際に補償を行うことを特徴とする車両用操舵装置。
9. 操舵入力軸と操舵出力軸との間に介装された変速機と、この変速機に連結された舵角比可変モータとを有する舵角比可変手段を備えた車両用操舵装置において、
   前記舵角比可変モータのモータ出力角度を検出し、前記モータ出力角度に対する前記舵角比可変手段の理想出力角度と、前記舵角比可変手段の実出力角度とに基づき、舵角比可変手段の速度変化誤差を無くすように前記舵角比可変モータを補償制御することを特徴とする車両用操舵装置。
   

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