JP2004217015A - 操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ステアバイワイヤ方式の操舵装置において、駆動モータと反力モータとの間の制御の遅れをなくして、通常運転時の操舵上の違和感を解消する。
【解決手段】ステアバイワイヤ方式の操舵装置においては、操舵ハンドル２を備え、その操舵ハンドル２の操作量を操舵角センサ１１及び操舵トルクセンサ１２によって制御装置４に出力し、制御装置４がその操作量を処理し、その処理結果に基づいて駆動モータ５を駆動させる。転舵輪Ｗ、Ｗの転舵は、ラック軸７の直線運動をタイロッド８、８を介して転舵輪Ｗ、Ｗの転舵運動に変換することにより行われており、ラック軸７の直線運動は、駆動モータ５及びボールねじ機構９により行われている。反力モータ１３と駆動モータ５とを導通させる接続線１４が設けられており、制御装置４は、接続線１４に設けられたＦＥＴに対してＰＷＭ制御を行う。接続線１４は駆動モータと反力モータの双方向に電流が流れるように制御する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、操舵ハンドルと駆動モータとが機械的に切り離されたステアバイワイヤ式操舵装置に関し、特に、その駆動モータと操舵ハンドルに反力を与える反力モータとの間で電力を提供し合うステアバイワイヤ式操舵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
運転者が車両の転舵輪を操作する操舵装置としては、ステアリングホイール（操舵ハンドル）を用いたものが知られている。これは、ステアリングホイールの回転運動が機械的に接続されたステアリングギアボックスを介してラック軸の直線運動に変換され、ラック軸に連結されたリンク機構を駆動させることで転舵輪を転舵するものである。
【０００３】
一方、近年になって、操舵側である運転操作装置と転舵側であるステアリング装置機構とが機械的には切り離され、ステアリング装置機構に設けられた駆動モータを運転操作装置から電気的に制御するいわゆるステアバイワイヤ（Ｓｔｅｅｒ Ｂｙ Ｗｉｒｅ、以下ＳＢＷで表す）方式を用いることが研究されている。この方式では、例えば、左右への操作力を与える場合、運転操作装置からの指示値に基づいて制御装置でタイヤ角の目標値が算出され、そのタイヤ角の目標値に追従するように、駆動モータを作動させてタイヤ角が決定される。更に、運転操作装置に反力を与えるために反力モータが設けられる。これによって、運転操作装置とステアリング装置機構とを別々の位置に配置することができるため、車両設計の自由度が大幅に改善される。このようなＳＢＷ方式の操舵装置では、操舵ハンドルを回すと（操作すると）、操舵ハンドルの回転量（操作量）が操舵角センサにより検出され、又は、操舵ハンドルの操舵トルクが操舵トルクセンサにより検出されて、これらの検出量が制御装置に入力される。制御装置は、これらの検出量をもとに反力モータの出力を制御して操舵ハンドルに反力を与えると共に、駆動モータの出力も制御してラック軸を直線運動させて転舵輪を転舵する。これによって、従来の機械的に接続されたステアリングシステムと同じような反力が操舵ハンドルに伝わると共に転舵輪の転舵が行われる。
【０００４】
以上のようなＳＢＷ方式の操舵装置の一例として、制御装置に異常が発生したとき、反力モータと駆動モータとを電気的に導通させ、操舵ハンドルを回すことで反力モータを回転させ、反力モータからの発電電流を駆動モータに流して転舵を行わせる操舵装置が報告されている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３０７２８００号公報（段落［００１３］〜［００１５］、［図１］等参照）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、今までのＳＢＷ方式の操舵装置において、制御装置が正常な状態で通常運転を行うときには、反力モータと駆動モータとが制御装置により別々に制御されるため、制御装置におけるセンサ読み取りや演算等の処理の遅れによって、曲線走行時のステアリング戻り等で転舵輪からの入力を操舵ハンドルに作用させようとすると、操舵に違和感が生じることがあった。また、直進走行時、転舵輪からのキックバックを操作部の操舵ハンドルに作用させようとした場合、転舵輪のタイヤ角及び操舵ハンドルの操舵角の精度を高くしないと作用しなかったり、逆に作用し過ぎたりして操舵に違和感が生じることがあった。更に、操舵ハンドルの操舵角と転舵輪のタイヤ角とのねじれを検出してアシストしようとすると、高速走行では操舵の遅れが生じ、やはり操舵に違和感があった。これを改善するための様々な手法があるが、いずれもセンサが多くなったり、付帯部品が増えたりしてしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、前記問題に鑑み、ＳＢＷ方式の操舵装置において、駆動モータと反力モータとの間の制御の遅れをなくして、通常運転時の操舵上の違和感を解消することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、転舵輪を駆動する駆動モータと、その駆動モータとは機械的に切り離されており制御装置を介して電気信号によってその駆動モータを操作する操舵ハンドルと、その操舵ハンドルに反力を与える反力モータとを有するステアバイワイヤ式操舵装置であって、駆動モータと反力モータとは接続線によって電気的に接続され、その接続線は駆動モータと反力モータとの間において双方向に電流が流れるように制御すると共にその電流量を調整する能動素子を有し、駆動モータ及び反力モータのうち、一方のモータが発電した電力を他方のモータの動力として利用することを特徴とする。この構成によれば、駆動モータと反力モータとの間において、一方の回転による発電で供給された電流を他方に流すことができると共に、その電流量をコントロールすることができるので、駆動モータと反力モータとの間の制御の遅れや応答の遅れをなくすことができる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、駆動モータと反力モータとを接続する接続線において、制御装置が正常であるときに開き、制御装置が異常であるときに閉じるように動作するスイッチ機構が前記能動素子と並列に設けられていることを特徴とする。この構成によれば、制御装置に異常が発生した場合、接続線上のスイッチ機構が閉じるように動作するので、駆動モータと反力モータとの接続状態を維持することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
≪操舵装置の構成と動作概要≫
まず、操舵装置の全体構成と動作概要を説明する。図１は、本発明の実施形態に係るステアバイワイヤ式操舵装置の構成図である。図１に示すように、この操舵装置は、ＳＢＷ（ステアバイワイヤ）を実現するものであり、操舵ハンドル２を備え、この操舵ハンドル２の操作量を制御装置４で処理し、この処理結果に基づいて駆動モータ５を駆動させて転舵輪Ｗ、Ｗを転舵する。ここで、転舵輪Ｗ、Ｗの転舵は、ラック軸７の直線運動をタイロッド８、８を介して転舵輪Ｗ、Ｗの転舵運動に変換することにより行われており、ラック軸７の直線運動は、従来のラックアンドピニオン機構の代わりとなる駆動モータ５及びボールねじ機構９により行われている。なお、直線運動時のラック軸７の位置は、転舵角センサ１０により検出され、制御装置４にフィードバックされている。ちなみに転舵角センサ１０は、ラック軸に沿って設けられたリニアエンコーダやポテンショメータ等の公知のセンサが用いられ、複数のセンサを組み合わせて使用することも可能である。
【００１２】
操作部１の操舵軸３には操舵ハンドル２が取り付けられ、操舵軸３を回転駆動することで操舵ハンドル２に操舵反力を発生させる反力モータ１３と、操舵ハンドル２の操舵角を検出する操舵角センサ１１と、操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ１２が設けられている。操舵ハンドル２と反力モータ１３とは一定のギヤ比で結合されている。運転者による操舵ハンドル２の操作量は、操舵角センサ１１と操舵トルクセンサ１２によって検出され、ハーネスを通じて制御装置４に入力される。この検出値に応じて制御装置４が転舵輪Ｗ、Ｗの転舵量を設定する。
【００１３】
制御装置４は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）及び所定の電気回路を備えたＥＣＵ（電子制御装置）から構成され、操作部１と駆動モータ５とは信号伝達ケーブルであるハーネスを介して電気的に連結されている。この制御装置４は、操作部１の操舵角センサ１１及び操舵トルクセンサ１２からの検出値を受け取って、その検出値に基づいて駆動モータ５を駆動させると共に、操作部１の反力モータ１３を制御して操舵反力を与える役割を果たしている。また、制御装置４は、接続線１４に設けられたＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：電界効果トランジスタ）に対してＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御を行う機能を持つ。
【００１４】
転舵輪Ｗ、Ｗ側には、転舵輪Ｗ、Ｗを変位駆動する転舵力を発生する駆動モータ５が設けられており、この駆動モータ５の回転は、ボールねじ機構９によってラック軸７の直線運動に変えられ、更に、ラック軸７の直線運動は、タイロッド８、８を介して転舵輪Ｗ、Ｗの転舵運動に変換される。ラック軸７にはこのラック軸７の直線運動を検出して転舵輪Ｗの転舵角を認識する転舵角センサ１０が設けられている。なお、転舵輪Ｗ、Ｗと駆動モータ５とは一定のギヤ比で結合されている。更に、反力モータ１３と駆動モータ５とを導通させる接続線１４が設けられている。
【００１５】
図２は、本発明の実施形態に係る反力モータ及び駆動モータを制御するＨブリッジの回路図である。反力モータ１３及び駆動モータ５は、共にＤＣモータで構成されていて、これらの制御は図２に示すようなＨブリッジによって行われる。このＨブリッジは、上側（図２のＱ３及びＱ４の素子）にｐｎｐ型のパワートランジスタやｐチャネル型のＦＥＴなどの駆動素子を用い、下側（図２のＱ１及びＱ２の素子）にｎｐｎ型のパワートランジスタかｎチャネル型のＦＥＴなどの駆動素子を用い、すべての駆動素子にパワーダイオードＤ１〜Ｄ４を背中合わせに接続してブリッジを形成し、上側のラインをバッテリ等の電源に、下側のラインをグランドに接続する。この状態で、素子Ｑ１と素子Ｑ４とを導通するとモータに左から右へ電流が流れ、モータが時計回りに回転する。一方、素子Ｑ２と素子Ｑ３とを導通するとモータに右から左へ電流が流れ、モータが反時計回りに回転する。また、素子Ｑ１〜Ｑ４をＰＷＭで制御することによりモータを流れる電流量を制御できるため、モータの回転数をコントロールすることができる。なお、このＰＷＭ制御は、制御装置４が行うものとする。また、ここで記載した「モータ」は、反力モータ１３及び駆動モータ５を示すものとする。
ここで、図２の素子Ｑ１を用いてＰＷＭ制御について説明する。素子Ｑ１をＦＥＴであるとすれば、素子Ｑ１は、３つの端子、すなわち、ドレイン（Ｄ）、ソース（Ｓ）及びゲート（Ｇ）を持つ。素子Ｑ１においては、ドレイン（Ｄ）からソース（Ｓ）に電流が流れるが、その条件としてゲート（Ｇ）が所定の電位以上であることが必要になる。換言すれば、ゲート（Ｇ）にかかる電圧をコントロールすることにより、ドレイン（Ｄ）からソース（Ｓ）に流れる電流の有無及びその電流の量を調整することができる。その電流の有無は、ゲート（Ｇ）のオン（所定の電位以上）及びオフ（所定の電位以下）によって制御することができる。ここで、ゲート（Ｇ）がオンになる電位の最小値は、ゲート（Ｇ）がオフになる電位の最大値より大きいものとする。また、その電流量は、ゲート（Ｇ）のオンとオフのパルス電圧において、パルスの１周期に対するゲート（Ｇ）がオンになっている時間の比率（デューティ比）を変えることによって調整することができる。その素子Ｑ１のゲート（Ｇ）電圧の制御については、前記のように制御装置４が行うものとする。
【００１６】
≪接続線による反力モータ及び駆動モータの動作≫
次に、接続線による反力モータ及び駆動モータの動作について説明する。図３は、本発明の実施形態に係る接続線による反力モータ及び駆動モータの動作原理を示すシステムブロック図である。図３を参照しながら、その動作原理を説明する。
図３において、
θｓ：操舵角
θｒ：駆動モータの転舵角
Ｆｓ：操舵力
Ｆｒ：ラック推力
Ｉｓ：反力モータ電流
Ｉｒ：駆動モータ電流
Ｒｓ：反力モータの抵抗値
Ｒｒ：駆動モータの抵抗値
Ｌｓ：反力モータのインダクタンス
Ｌｒ：駆動モータのインダクタンス
Ｖｓ：反力モータの電圧
Ｖｒ：駆動モータの電圧
ＳＡＴ：セルフアライニングトルク（Ｓｅｌｆ Ａｌｉｇｎｉｎｇ Ｔｏｒｑｕｅ）
である。
【００１７】
運転者の操舵ハンドル２への操舵は、操舵角θｓとなって現れ、この操舵角θｓの微分値である操舵速度に所定の起電力定数Ｋｅｓをかけた値となる電圧Ｖｓが反力モータ１３にかかり、この電圧Ｖｓと反力モータ１３のインダクタンスＬｓと抵抗Ｒｓとから反力モータ１３に流れる電流Ｉｓが算出される。一方、駆動モータ５の転舵角θｒから駆動モータ５のインダクタンスＬｒ、抵抗Ｒｒ及び所定の起電力定数Ｋｅｒを用いて駆動モータ５に流れる電流Ｉｒが算出される。
この電流Ｉｓと電流Ｉｒとの差が、反力モータ１３において反力を発生させ、駆動モータ５において転舵力を発生させる。反力モータ１３では、電流Ｉｓと電流Ｉｒとの差に所定のトルク係数Ｋｔｓ、イナーシャ係数Ｊ及びダンピング係数Ｄを用いて反力による角度が計算されて、運転者入力による操舵角とその計算された角度との差が新たなる操舵角θｓとして入力される。駆動モータ５では、電流Ｉｓと電流Ｉｒとの差に所定のトルク係数Ｋｔｒ、イナーシャ係数Ｊ及びダンピング係数Ｄを用いて反力による角度が計算されて、その計算された角度が新たなる転舵角θｒとして入力される。なお、曲線走行によって車両のヨーレートγに基づくＳＡＴ（曲線走行時のタイヤからの復元トルク）が発生したときは、ラック推力ＦｒとＳＡＴとの差が、転舵角θｒを計算する際の入力値となる。
【００１８】
反力モータ１３及び駆動モータ５のモータ端子が接続線１４によって直接接続されている場合、操舵ハンドル２が回されると、反力モータ１３の端子間に電圧Ｖｓが発生する。この電圧Ｖｓが駆動モータ５に印加され、駆動モータ５に電流Ｉｒが流れラック推力Ｆｒが発生する。駆動モータ５の端子間に発生する電圧をＶｒとすると、
Ｉｒ＝（Ｖｓ−Ｖｒ）／（Ｒｓ＋Ｒｒ）
Ｖｓ＝反力モータの回転速度×Ｋｅｓ
Ｖｒ＝駆動モータの回転速度×Ｋｅｒ
したがって、走行中にＩｒが数Ａあれば転舵可能であるため、
Ｒｓ＋Ｒｒ＝１２０ｍΩ
Ｖｓ−Ｖｒ＞数Ｖ
とすると、操舵側で操舵ハンドル２と駆動モータ５のギヤ比が
操舵ハンドル：駆動モータ＝１：１０
の場合、操舵ハンドル２を１回転すると駆動モータ５が１０回転することになる。
また、逆にＳＡＴ（曲線走行時のタイヤからの復元トルク）が発生したとき、そのＳＡＴによってラック軸７が移動して駆動モータ５が回転し、駆動モータ５の発電力が反力モータ１３にトルクを発生させ、操舵ハンドル２に対して反力が伝わる。
【００１９】
反力モータ１３と駆動モータ５とを導通させる接続線１４は、図４及び図５に示すようにＨブリッジの上側と下側にそれぞれ設けられている。図６に、この接続線１４をＦＥＴで構成した場合の詳細図を示す。１つの接続線１４は２組の直列に接続されたｎ型ＦＥＴＱ５、Ｑ６とダイオードＤ５、Ｄ６の組（能動素子）及び常開のリレー接点（スイッチ機構）Ｓ２が並列に接続された形で構成されている。
ｎ型ＦＥＴＱ５、Ｑ６とダイオードＤ５、Ｄ６の組は、ＦＥＴのドレイン（Ｄ）からソース（Ｓ）へ電流を流すように設けられている。ＦＥＴにおいては、ソース（Ｓ）からドレイン（Ｄ）へ電流が流れると不具合を起こしてしまうので、それを防止するために、ダイオードを併設して必ずドレイン（Ｄ）からソース（Ｓ）へ電流が流れるようにしている。これらのＦＥＴＱ５、Ｑ６においては、ゲート（Ｇ）の電圧をＰＷＭ制御して、ドレイン（Ｄ）からソース（Ｓ）へ流れる電流値をコントロールすることができる。このＰＷＭ制御は、制御装置４が行うものとする（ＰＷＭ制御については、前記図２の説明を参照）。常開のリレー接点Ｓ２は、制御装置４が正常に働いているときは開いており、制御装置４に異常が起きて動作しなくなると閉じて反力モータ１３と駆動モータ５とを導通させる。これにより、制御装置４が正常な場合は、制御装置４のＰＷＭ制御によって、反力モータ１３と駆動モータ５との間を流れる電流がコントロールされる。また、制御装置４が異常な場合でも、操舵ハンドル２を回し続けると反力モータ１３が回転し、反力モータ１３からの発電で駆動モータ５が駆動することによって、操舵性が確保される。なお、図６ではｎ型ＦＥＴを用いているが、一方にｐ型ＦＥＴを用いても良い。
【００２０】
この接続線１４の動作を図４及び図５を用いて更に説明する。
まず、反力モータ１３と駆動モータ５との回転方向が同一の場合について図４により説明する。例えば、反力モータ１３と駆動モータ５との間に回転の位相差が発生した場合、その差分が発電分として働き、位相が進んでいるモータから遅れているモータに接続線１４を介して電流が流れる。図４の破線が分流電流の流れる経路を示す。また、例えば、駆動モータ５の位相が操舵ハンドル２に比べて遅れている場合等、片側のモータだけの通電量を増やしたい場合は、接続線１４内のＦＥＴＱ５〜Ｑ８のデューティ比（ＰＷＭ制御でパルスがオンになる時間比率）を変えることにより、片側のモータだけ電源からの電流を増やすことができる。
このようにすることで、位相が遅れているモータが進んでいるモータに追いつくことができ、制御の遅れや応答の遅れをなくすことができ、操舵の違和感を解消することができる。また、モータを駆動する必要がある場合に他のモータから電流が得られるので電源電圧を少なくすることができる。車両においては１２Ｖバッテリでモータを作動するため、この効果は期待できるものである。なお、ここで記載した「モータ」は、反力モータ１３と駆動モータ５のいずれか一方を示すものとする。
【００２１】
次に、反力モータ１３と駆動モータ５との回転方向が逆の場合について図５により説明する。この場合は、接続線１４内のＦＥＴＱ５〜Ｑ８のデューティ比を０として、反力モータ１３と駆動モータ５との接続を断つようにする。もし、この場合に、ＦＥＴＱ５〜Ｑ８のデューティ比が０よりも大きいとすると、図５の破線で示すような分流電流が流れてしまい、電流のロスを生じてしまう。このため、デューティ比を０とすることによって反力モータ１３と駆動モータ５との接続を断って分流が発生しないようにする。そして、少なくとも反力モータ１３の回転方向と一致するまで、駆動モータ５が回転するのを待ち、反力モータ１３と駆動モータ５との回転方向が一致すれば、ＦＥＴＱ５〜Ｑ８のデューティ比を上げて両モータ５、１３の断絶状態を解除する。
【００２２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲でさまざまな対応を採り得ることは勿論である。例えば、前記実施形態では接続線のＰＷＭ制御にＦＥＴを用いているが、ＰＷＭ制御が可能な他の能動素子であるパワートランジスタ等に置き換えることも可能である。また、例えば、前記実施形態では丸ハンドルで説明したが、ジョイスティック等の操作ハンドルでもよい。
【００２３】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、駆動モータ及び反力モータを電気的に接続することによって、駆動モータと反力モータとの間の制御の遅れや応答の遅れをなくすことができるので、操舵の違和感を解消することができる。また、モータ駆動の際、他のモータから電流が供給されるので、電源電圧を少なくすることができる。このため、バッテリ等の電源の負荷を下げることが可能になり、省電力の効果が出ると共に、駆動モータの容量を下げることも可能になる。更に、駆動モータと反力モータとの間に流れる電流量をコントロールすることができるので、駆動モータと反力モータとの回転方向が異なった場合に起きる電流ロスをなくしたり、片方のモータの通電量だけを増やすことが実現でき、より効果的なモータの制御を行うことができる。請求項２に係る発明によれば、制御装置に不具合が発生したとしても、駆動モータと反力モータとの接続状態を維持することができるので、操舵入力によって転舵輪を駆動することができ、操舵性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るステアバイワイヤ式操舵装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る反力モータ及び駆動モータを制御するＨブリッジの回路図である。
【図３】本発明の実施形態に係る接続線による反力モータ及び駆動モータの動作原理を示すシステムブロック図である。
【図４】本発明の実施形態に係る反力モータ及び駆動モータを制御するＨブリッジ回路の動作の説明図である。
【図５】本発明の実施形態に係る反力モータ及び駆動モータを制御するＨブリッジ回路の動作の説明図である。
【図６】本発明の実施形態に係る反力モータ及び駆動モータ間の接続線をＦＥＴで構成した場合の詳細図である。
【符号の説明】
１…操作部
２…操舵ハンドル
３…操舵軸
４…制御装置
５…駆動モータ
７…ラック軸
８、８…タイロッド
９…ボールねじ機構
１０…転舵角センサ
１１…操舵角センサ
１２…操舵トルクセンサ
１３…反力モータ
１４…接続線
Ｄ１〜Ｄ８…ダイオード
Ｑ１〜Ｑ８…ＦＥＴ
Ｗ、Ｗ…転舵輪

Claims (2)

1. 車両の転舵輪を駆動する駆動モータと、その駆動モータとは機械的に切り離されており制御装置を介して電気信号によってその駆動モータを操作する操舵ハンドルと、その操舵ハンドルに反力を与える反力モータとを有するステアバイワイヤ式操舵装置であって、
   前記駆動モータと前記反力モータとは接続線によって電気的に接続され、
   その接続線は、前記駆動モータと前記反力モータとの間において双方向に電流が流れるように制御すると共にその電流量を調整する能動素子を有し、
   前記駆動モータ及び前記反力モータのうち、一方のモータが発電した電力を他方のモータの動力として利用することを特徴とするステアバイワイヤ式操舵装置。
2. 前記接続線において、前記制御装置が正常であるときに開き、前記制御装置が異常であるときに閉じるように動作するスイッチ機構が前記能動素子と並列に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のステアバイワイヤ式操舵装置。

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