JP2006062627A - 操舵反力制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ステア・バイ・ワイヤシステムがオフのときに中立位置ずれが発生した場合でも、エンジン始動後、中立位置ずれを補正した状態で車両を速やかに発進させることができる。
【解決手段】 操向輪２，２を転舵させる舵取り機構３と機械的に切り離されたハンドル１と、このハンドル１に操舵反力を発生させる反力モータ６と、操舵状態に応じて反力モータ６を駆動制御する操舵反力制御装置１２と、を有するステア・バイ・ワイヤシステムにおいて、SBWシステムがオフ状態のとき、ハンドル１の回転を検出する回生電流検知回路を備え、操舵反力制御装置１２は、ハンドル１の回転が検出されたとき、SBWシステムを起動し、反力モータ６を駆動制御して中立位置ずれを補正する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、操作入力手段と舵取り機構とが機械的に切り離された、いわゆるステア・バイ・ワイヤシステムの操舵反力制御装置の技術分野に属する。

ステア・バイ・ワイヤシステムでは、イグニッションキースイッチがオフのとき、ステア・バイ・ワイヤシステムもオフされており、反力モータは通電されていない。従って、この状態でハンドルに外力が加わると、ハンドルが簡単に回転してしまい、中立位置ずれが発生してしまう。

この問題に対し、エンジン始動後、車両の発進前にハンドル角度と操向輪角度とを検出し、中立位置ずれが発生している場合には、ハンドル角度と操向輪角度とを一致させるように反力モータを駆動する初期処理を行うことにより、中立位置ずれを補正するステア・バイ・ワイヤシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−５１０９４号公報

しかしながら、上記従来技術にあっては、車両発進前の初期処理として中立位置ずれを補正する構成であるため、エンジン始動後、車両を速やかに発進させることができないという問題があった。

本発明は、上記従来技術が抱える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、ステア・バイ・ワイヤシステムがオフのときに中立位置ずれが発生した場合でも、エンジン始動後、中立位置ずれを補正した状態で車両を速やかに発進させることができる操舵反力制御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、
操向輪を転舵させる舵取り機構と機械的に切り離された操作入力手段と、
この操作入力手段に操舵反力を発生させる反力モータと、
操舵状態に応じて前記反力モータを駆動制御する操舵反力制御手段と、
を有するステア・バイ・ワイヤシステムにおいて、
前記ステア・バイ・ワイヤシステムがオフ状態のとき、前記操作入力手段の回転を検出する回転検出手段を備え、
前記操舵反力制御手段は、操作入力手段の回転が検出されたとき、ステア・バイ・ワイヤシステムを起動し、前記反力モータを駆動制御して中立位置ずれを補正することを特徴とする。

本発明にあっては、ステア・バイ・ワイヤシステムがオフのとき、前記操作入力手段の回転により中立位置ずれを検出した場合には、ステア・バイ・ワイヤシステムを起動し、反力モータを用いて中立位置ずれを補正する。よって、次のシステム起動時には、中立位置ずれの補正が完了しているため、発進前に中立位置ずれを補正する処理が不要であり、車両を速やかに発進させることができる。

以下に、本発明の操舵反力制御装置を実施するための最良の形態を、実施例１，２に基づいて説明する。

まず、構成を説明する。
図１は実施例１の操舵反力制御装置が適用されたステア・バイ・ワイヤシステムを示す全体構成図である。

実施例１装置が適用されたステア・バイ・ワイヤ（SBW）システムは、図１に示すように、ハンドル（操作入力手段）１と、操向輪２，２を転舵させる舵取り機構３との間に機械的なつながりが無い。

ハンドル１と連結したコラムシャフト４には、ハンドル角度センサ５と反力モータ６とが設けられている。ハンドル角度センサ５は、コラムシャフト４の回転角度に基づいて、ハンドル角度を検出する。反力モータ６は、例えば、DCブラシレスモータであり、モータ軸が図外の減速器を介してコラムシャフト４に連結されている。

舵取り機構３と連結したピニオンシャフト７には、操向輪角度センサ８と転舵モータ９とが設けられている。操向輪角度センサ８は、ピニオンシャフト７の回転角度に基づいて、操向輪角度を検出する。転舵モータ９は、反力モータ６と同様に、DCブラシレスモータであり、モータ軸が図外の減速器を介してピニオンシャフト７に連結されている。

転舵制御装置１０は、ハンドル角度センサ５からのハンドル角度と、車速センサ１１からの車速とが入力される。転舵制御装置１０は、ハンドル角度と車速とに基づいて、目標操向輪角度を算出し、この目標操向輪角度に実際の操向輪角度が一致するよう、転舵モータ９を駆動制御する。

操舵反力制御装置１２は、ハンドル角度センサ５からのハンドル角度と、操向輪角度センサ８からの操向輪角度とが入力される。操舵反力制御装置１２は、ハンドル角度と操向輪角度とに基づいて目標操舵反力トルクを算出し、この目標操舵反力トルクに実際の操舵トルクが一致するよう、反力モータ６を駆動制御する。

また、操舵反力制御装置１２は、SBWシステムがOFF状態のとき、ハンドル１の回転が検出されたとき、ハンドル角度と操向輪角度とに基づいて反力モータ６を駆動制御し、中立位置ずれを補正する中立位置ずれ補正制御を実施する。

図２は、操舵反力制御装置１２の制御ブロック図である。
操舵反力制御装置１２は、CPU２１と、ドライバ回路２２と、駆動回路２３と、回生電流発生用リレー（短絡手段）２４と、電流センサ２５と、システム起動回路２６と、回生電流検知回路（回転検出手段）２７と、電源回路２８とを備えている。

CPU２１は、SBWシステムがONのとき、ハンドル角度センサ５からのハンドル角度信号と操向輪角度センサ８からの操向輪角度信号と電流センサ２５で検出された反力モータ６の実電流値とに基づいて、反力モータ６の電流指令値を算出し、算出した電流指令値をドライバ回路２２に出力する。

CPU２１は、図示しない他の車両制御ユニットから入力されるシステム起動信号がONのとき、システム起動回路２６に対し、システム作動許可信号ONを出力する。なお、他の車両制御ユニットから入力されるシステム起動信号は、ドアロックOFF、かつイグニッションキースイッチONのときONとなり、それ以外はOFFである。

ドライバ回路２２は、CPU２１から入力した電流指令値に基づいて、駆動回路２３に設けられた４つのスイッチング素子（MOS-FET）２３ａ〜２３ｄのONデューティ比を制御し、反力モータ６を駆動する。

回生電流発生用リレー２４は、SBWシステムがONのとき、駆動回路２３と反力モータ６の連通状態を保持する。一方、SBWシステムがOFFのときには、駆動回路２３と反力モータ６との連通を遮断し、反力モータ６の両端子を短絡させる。なお、この回生電流発生用リレー２４は、SBWシステムのON/OFFにかかわらず、常にバッテリー電源が供給されている。

電流センサ２５は、反力モータ６の電流値を検出し、検出した電流値をCPU２１と回生電流検知回路２７へ出力する。ここで、SBWシステムがONのときには、反力モータ６の実電流値が検出されるが、SBWシステムがOFFのときには、回生電流発生用リレー２４により反力モータ６が短絡しているため、反力モータ６が回転した場合にのみ、回転に伴い発生する回生電流値が検出される。

システム起動回路２６は、CPU２１からのシステム作動許可信号がONのとき、電源回路２８にバッテリー電源を供給する。これにより、CPU２１にバッテリー電源が供給され、SBWシステムがONとなる。また、システム起動回路２６は、CPU２１からのシステム作動許可信号がOFFの場合でも、回生電流検知回路２７から起動指令信号を入力したとき、電源回路２８にバッテリー電源を供給し、CPU２１を起動させる。

回生電流検知回路２７は、SBWシステムがOFFのとき、電流センサ２５が反力モータ６の回生電流を検出した場合には、システム起動回路２６に対し、起動指令信号を出力する。この回生電流値検知回路２７は、増幅回路であり、起動指令信号は、電流センサ２５の出力を増幅したものである。

CPU２１は、システム起動信号がOFF、すなわちSBWシステムがOFFのとき、電源回路２８から電源が供給された場合には、システム起動回路２６に出力するシステム作動許可信号をONし、SBWシステムを起動させる。そして、ハンドル角度信号と操向輪角度信号とに基づき、ハンドル角度と操向輪角度とを一致させる電流指令値を算出し、この電流指令値に基づいて反力モータ６を駆動制御する。

CPU２１は、ハンドル１の中立位置と操向輪２，２の中立位置とが一致し、中立位置ずれが補正された場合には、システム起動回路２６に対し、システム作動許可信号OFFを出力し、SBWシステムを再度OFFする。

次に、作用を説明する。
［中立位置ずれ補正制御処理］
図３は実施例１装置において、操舵反力制御装置１２のCPU２１で実行されるSBWシステムOFF時の中立位置ずれ補正制御処理の流れを示すフローチャートであり、以下、各ステップについて説明する。なお、本制御処理は、所定の周期で繰り返し実施される。

ステップS1では、他の車両制御ユニットから入力されるシステム起動信号がOFFであるかどうかを判定する。YESの場合にはステップS2へ移行し、NOの場合にはステップS6へ移行する。

ステップS2では、ハンドル角度センサ５からハンドル角度信号を入力し、ステップS3へ移行する。

ステップS3では、操向輪角度センサ８からの操向輪角度信号を入力し、ステップS4へ移行する。

ステップS4では、ステップS2で入力したハンドル角度と、ステップS3で入力した操向輪角度とがずれているかどうかを判定する。YESの場合にはステップS5へ移行し、NOの場合にはステップS7へ移行する。

ステップS5では、反力モータ６の電流指令値Imを下記の式(1)から演算するとともに、演算した電流指令値Imをドライバ回路２２へ出力し、リターンへ移行する。
Im＝Kθ（θt−θh）−Kω（θh'） …(1)
ただし、θt：操向輪角度、θh：ハンドル角度、θh'：ハンドル角速度、Kθ：角度ゲイン、Kω：角度速度ゲイン、Im：反力モータ電流指令値である。

ステップS6では、ハンドル角度と操向輪角度と反力モータ６の実電流値とに基づいて、反力モータ６の電流指令値を演算する通常のSBW制御を実施し、リターンへ移行する。

ステップS7では、システム作動許可信号をOFFとし、リターンへ移行する。

［中立位置ずれ補正制御作動］
SBWシステムがOFFのときには、回生電流発生用リレー２４により反力モータ６の両端子が短絡した状態となっている。

SBWシステムがOFFのとき、運転者がハンドル１に手を掛けた際にハンドル１が回転し、中立位置ずれが発生した場合には、図３のフローチャートにおいて、ステップS1→ステップS2→ステップS3→ステップS4→ステップS5へと進む流れが繰り返される。

すなわち、ステップS1では、システム起動信号はOFFであると判定され、このとき、電流センサ２５により反力モータ６の回生電流が検出されるため、回生電流検知回路２７からシステム起動回路２６に対し起動信号が出力され、CPU２１の起動によりSBWシステムがONとなる。続いて、ステップS5において、電流指令値Imに基づいて反力モータ６が駆動されることにより、中立位置ずれが徐々に補正される。

このとき、電流指令値Imは、式(1)より、中立位置ずれ角度（θt−θh）が大きいほど大きくなるため、中立位置ずれが大きい場合でも、中立位置ずれを素早く補正できる。また、電流指令値Imは、操舵角速度θh'が高いほど、小さくなるように設定されているため、ハンドル１が急激に中立位置へと戻るのを防止できる。

中立位置ずれが補正された後は、ステップS1→ステップS2→ステップS3→ステップS4→ステップS7へと進む流れとなる。すなわち、ステップS4において、中立位置ずれが補正されたと判定され、ステップS7において、CPU２１からシステム起動回路２６に対し、システム作動許可信号OFFが出力されるため、SBWシステムが再度OFFされる。

［従来技術の課題］
自動車の操舵を電動モータで行うSBWシステムにおいて、システムOFF時にはモータが通電されていないため、特別な機構を別途設けない限り、ハンドルは外部から力を加えると、回転してしまう。この場合、ハンドルの中立位置と操向輪の中立位置との関係がずれてしまう中立位置ずれという状態になってしまう。

特に、操舵反力を発生させるモータを含めハンドルに反力を発生させる装置の回転部分の摩擦が少ない場合、少しの力でもハンドルは大きく回転してしまい、大きな中立位置ずれが発生する。SBWシステムOFF時に発生する中立位置ずれの問題点は、中立位置ずれ後にシステムをONしたとき、中立位置ずれを補正する初期処理の時間を要する点にある。

中立位置ずれを補正するためには、ハンドルを回転させて操向輪の角度と同じにするか、操向輪を転舵させてハンドルと同じにするかの２通りの方法があるが、操向輪は車体の荷重が加わっているため、これを転舵させるためにハンドルを回転させるのと比較して、より大きなエネルギーが必要となる。そこで、通常はハンドルを回転させて中立位置ずれを補正する。

ただし、中立位置ずれを補正するためハンドルを急激に回転させると、運転者がハンドルに触れていた場合などは、ハンドルが手にぶつかってしまうおそれがある。そのため、中立位置ずれ補正は緩やかに行う必要がある。従って、中立位置ずれ補正には時間を要するため、エンジン始動後、車両を速やかに発進させることができない。

また、機械的な機構を用いてシステムOFF時にハンドルの回転を抑制する方法も考えられるが、部品点数の増加を伴い、コストアップを招く。

［回生電流検出による中立位置ずれ補正作用］
これに対し、実施例１の操舵反力制御装置では、システムOFF時、ハンドル１の回転を検出したときにのみ、SBWシステムを速やかに起動し、ハンドル角度を操向輪角度に一致させる中立位置ずれ補正を実施する。よって、次にシステムがONされたとき、車両発進前に中立位置ずれを補正する処理が不要であるため、車両を速やかに発進させることができる。

また、中立位置ずれが補正された後は、SBWシステムを再度OFFするため、常にシステムを起動させて中立位置ずれを監視する場合と比較して、エンジン停止中の電流消費を抑えることができる。

ちなみに、自動車においては、エンジンが回転していないとバッテリーの充電が行われないため、エンジン停止後は極力電流消費を抑えたい要求がある。そのため、ステア・バイ・ワイヤシステムにおいても、運転者がエンジンを止め運転を終了した後には、システムをOFF、すなわち操舵反力制御装置のCPUを停止する。このとき、CPUでパルス計測している角度センサの情報は検出不能であるし、反力モータも制御不能である。

ここで、もしもこの状況で反力モータの角度変化からハンドルが回されていることを検出しようとすると、システムOFF後に定期的にSBWシステムを間欠起動し、反力モータの角度変化を監視する必要がある。この場合、間欠時間を短く設定すると、エンジン停止中のSBWシステムの消費電力が大きくなり、逆に間欠時間を長く設定すると、外力がハンドルに加わりハンドルが回されても、直ちにそれを検出できない。結果として、ハンドルが大きく回ってから検出することとなり、中立位置ずれの補正に時間を要する（補正は徐々に行う必要があるため）。

実施例１では、反力モータ６の回転を角度ではなく、ハンドル１の回転に伴い発生する回生電流により検出しているため、角度変化監視のための定期的なシステムの一時起動が不要であり、ハンドル１が回され回生電流が発生したときのみSBWシステムを起動し、中立位置ずれ補正後はシステムを再度OFFするため、ハンドル１が回されない限りはシステムを停止させておくことができる。よって、最小限の消費電力で中立位置ずれを補正することができる。

さらに、SBWシステムOFF時には反力モータ６を短絡させておくことで、ハンドル１の回転に伴い逆起電力を発生させることで、ハンドル１の回転を抑制することができるため、外力が加わったときのハンドル１の回転を抑制できる。

次に、効果を説明する。
実施例１の操舵反力制御装置にあっては、下記に列挙する効果が得られる。

(1) 操向輪２，２を転舵させる舵取り機構３と機械的に切り離されたハンドル１と、このハンドル１に操舵反力を発生させる反力モータ６と、操舵状態に応じて反力モータ６を駆動制御する操舵反力制御装置１２と、を有するステア・バイ・ワイヤシステムにおいて、SBWシステムがオフ状態のとき、ハンドル１の回転を検出する回生電流検知回路２７を備え、操舵反力制御装置１２は、ハンドル１の回転が検出されたとき、SBWシステムを起動し、反力モータ６を駆動制御して中立位置ずれを補正するため、次のシステム起動時には、中立位置ずれの補正が完了しているため、車両を速やかに発進させることができる。

(2) 操舵反力制御装置１２は、中立位置ずれ補正後、SBWシステムをオフするため、エンジン停止時の消費電力を抑制できる。

(3) SBWシステムがオフのとき、反力モータ６の両端子を短絡させる回生電流発生用リレー２４を設け、回生電流検知回路２７は、反力モータ６の回生電流を検出する手段であり、操舵反力制御装置１２は、反力モータ６の回生電流が検出されたとき、中立位置ずれ補正を行うため、反力モータ６の角度変化監視のための定期的なシステムの一時起動が不要であり、エンジン停止時の消費電力を抑制できる。また、反力モータ６を短絡させることで、逆起電力によりハンドル１の回転を抑制できる。

(4) 操舵反力制御装置１２は、中立位置ずれ補正時、操舵角速度θh'が高いほど、反力モータ６の電流指令値Imを小さくし、中立位置ずれの補正速度を緩やかにするため、ハンドル１が急激に中立位置へ戻るのを防止できる。

実施例２では、イグニッションキースイッチがオフのとき、ハンドルが所定条件以上回された場合には、車両に不審者が侵入していると判断し、ブザーやランプ等の警告手段を用いて車外に警告を発する例である。

なお、実施例２の構成は、図１，２に示した実施例１の構成と同じであり、ブザーやランプ等の警告手段も、一般的な車両に設けられたものを使用できるため、構成の説明は省略する。

次に、作用を説明する。
［中立位置ずれ補正制御処理］
図４は実施例２装置において、操舵反力制御装置１２のCPU１２で実行されるSBWシステムOFF時の中立位置ずれ補正制御処理の流れを示すフローチャートである。なお、図４のフローチャートにおいて、ステップS11〜ステップS17は、図３のステップS1〜ステップS7と同一の処理を行うため、説明を省略し、実施例１と異なるステップのみ説明する。

ステップS21では、イグニッションキースイッチがオフのとき、電流指令値出力時間があらかじめ設定された異常判断時間よりも小さいかどうかを判定する。YESの場合にはリターンへ移行し、NOの場合にはステップS22へ移行する。

ステップS22では、ブザーをONするとともに、ランプを点灯させ、リターンへ移行する。

［中立位置ずれ補正制御作動］
イグニッションキースイッチがOFFであるにもかかわらず、ハンドル１が所定条件以上回された場合には、図４のフローチャートにおいて、ステップS11→ステップS12→ステップS13→ステップS14→ステップS15→ステップS21→ステップS22へと進む流れとなる。

すなわち、ステップS21において、ハンドル１が異常判断時間以上継続して回されていると判断され、ステップS22において、ブザーとランプにより車外に警告が発せられる。
なお、時間に代えて、ハンドル１が所定回数以上回されたとき、警告を発するようにしてもよい。また、電流指令値が所定値以上となったとき、警告を発するようにしてもよい。

［SBWシステムを用いた侵入検知作用］
ドアロックする前のシステムOFF中に運転者等がハンドルを回してしまうことは、通常の状況として十分考えられるが、ハンドル１が回される時間は、乗降時にハンドル１につかまる等の短時間と想定されるため、それ以上の長い時間にわたってハンドル１が回されるということは、窃盗等の目的で不審者が侵入していると考えられる。

従来、盗難防止の侵入検知装置として、光や音等を利用した特別なセンサを用いたものが提案されているが、実施例２では、イグニッションキーOFF時にハンドル１が回された時間を検知することで、SBWシステムの基本構成のみで人の侵入を検知することができる。

次に、効果を説明する。
実施例２の操舵反力制御装置にあっては、実施例１の効果(1)〜(4)に加え、下記の効果が得られる。

(5) 操舵反力制御装置１２は、イグニッションキースイッチがオフのとき、ハンドル１の回転が異常判断時間以上継続した場合には、ブザーやランプ等の警告手段を用いて車外に警告を発するため、SBWシステムの基本構成のみで不審者の侵入を検知できる。

実施例１の操舵反力制御装置が適用されたステア・バイ・ワイヤシステムを示す全体構成図である。 操舵反力制御装置１２の制御ブロック図である。 実施例１の操舵反力制御装置１２のCPU２１で実行されるSBWシステムOFF時の中立位置ずれ補正制御処理の流れを示すフローチャートである。 実施例２の操舵反力制御装置１２のCPU２１で実行されるSBWシステムOFF時の中立位置ずれ補正制御処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１ ハンドル
２ 操向輪
３ 舵取り機構
４ コラムシャフト
５ ハンドル角度センサ
６ 反力モータ
７ ピニオンシャフト
８ 操向輪角度センサ
９ 転舵モータ
１０ 転舵制御装置
１１ 車速センサ
１２ 操舵反力制御装置
２１ CPU
２２ ドライバ回路
２３ 駆動回路
２４ 回生電流発生用リレー
２５ 電流センサ
２６ システム起動回路
２７ 回生電流検知回路
２８ 電源回路

Claims (5)

1. 操向輪を転舵させる舵取り機構と機械的に切り離された操作入力手段と、
   この操作入力手段に操舵反力を発生させる反力モータと、
   操舵状態に応じて前記反力モータを駆動制御する操舵反力制御手段と、
   を有するステア・バイ・ワイヤシステムにおいて、
   前記ステア・バイ・ワイヤシステムがオフ状態のとき、前記操作入力手段の回転を検出する回転検出手段を備え、
   前記操舵反力制御手段は、操作入力手段の回転が検出されたとき、ステア・バイ・ワイヤシステムを起動し、前記反力モータを駆動制御して中立位置ずれを補正することを特徴とする操舵反力制御装置。
2. 請求項１に記載の操舵反力制御装置において、
   前記操舵反力制御手段は、中立位置ずれ補正後、前記ステア・バイ・ワイヤシステムをオフすることを特徴とする操舵反力制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の操舵反力制御装置において、
   前記ステア・バイ・ワイヤシステムがオフ状態のとき、前記反力モータの両端子を短絡させる短絡手段を設け、
   前記回転検出手段は、前記反力モータの回生電流を検出する手段であり、
   前記操舵反力制御手段は、前記反力モータの回生電流が検出されたとき、中立位置ずれ補正を行うことを特徴とする操舵反力制御装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の操舵反力制御装置において、
   車外に警告を発する警告手段を設け、
   前記操舵反力制御手段は、イグニッションキースイッチがオフのとき、前記操作入力手段の回転が所定時間以上継続した場合には、前記警告手段に対し警告を発する指令を出力することを特徴とする操舵反力制御装置。
5. 請求項１ないし請求項４に記載の操舵反力制御装置において、
   前記操舵反力制御手段は、中立位置ずれ補正時、操舵角速度が高いほど、中立位置ずれの補正速度を緩やかにすることを特徴とする操舵反力制御装置。

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