JP2008196283A - ドア開閉アシスト装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 目標への追従性の向上と、制御の安定性を両立させることができるドア開閉アシスト装置を提供すること。
【解決手段】 ドア開閉操作力と目標ドア加速度、目標ドア速度から、第１駆動指令値を演算するフィードフォワード制御部８１３と、目標ドア速度と実ドア速度の差を小さくする、第２駆動指令値を演算するフィードバック制御部８１４と、第１駆動指令値と第２駆動指令値を加算して、最終段としての駆動指令値を演算する駆動指令値演算部８１５を備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両のドアを軽い力で操作できるようアクチュエータの力をアシストするドア開閉アシスト装置の技術分野に属する。

目標電流信号設定手段、加速度演算手段、加速度係数発生手段、速度係数発生手段、補正手段、偏差演算手段、駆動制御手段からなる制御手段を備え、トルク信号に対応した目標電流信号、加速度信号に対応した加速度係数、及び速度信号に対応した速度係数に対応した補正信号を発生し、補正信号に基づいて電動機を駆動してアシスト力（開閉補助力）を発生し、小さい操作力でドアを操作できるようにしている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平９−３２８９５７号公報（第２−１１頁、全図）

従来においては、トルク信号から設定する目標値と実速度値の偏差に応じたアシスト力を発生させるフィードバック制御を行っている。この制御では、目標値への追従性を良くするには、フィードバック演算のゲインを上げればよい。しかしながら、ゲインを上げすぎると、急な操作を行ったり、もしくはドアレール上の砂利などにより、操作力、アシスト力以外の力が外乱としてドアに作用したりすると、それらをきっかけに、操作力やドア速度が振動し、操作感を著しく悪化させてしまう問題があった。

本発明は、上記問題点に着目してなされたもので、その目的とするところは、目標への追従性の向上と、制御の安定性を両立させることができるドア開閉アシスト装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では、車両ドアの操作力をアシストするアクチュエータと、前記アクチュエータの駆動力を、前記車両ドアを移動させる機構へ伝達する駆動力伝達機構と、車両のドアノブへのドア開閉操作力を検出する操作力検出手段と、車両のドア開閉速度を検出するドア速度検出手段と、前記ドア開閉操作力から、実際よりも軽いドア質量に基づいて、目標ドア加速度を演算する目標ドア加速度演算手段と、目標ドア加速度を積分して目標ドア速度を演算する目標ドア速度演算手段と、ドア開閉操作力と目標ドア加速度、目標ドア速度から、第１駆動指令値を演算するフィードフォワード制御手段と、目標ドア速度と実ドア速度の差を小さくする、第２駆動指令値を演算するフィードバック制御手段と、前記第１駆動指令値と前記第２駆動指令値を加算して、最終段としての駆動指令値を演算する最終駆動指令値演算手段と、を備えた、ことを特徴とする。

よって、本発明にあっては、目標への追従性の向上と、制御の安定性を両立させることができる。

以下、本発明のドア開閉アシスト装置を実現する実施の形態を、請求項１，２に対応する実施例１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のドア開閉アシスト装置の概略を示す説明図である。図２は実施例１のドア開閉アシスト装置を車両に搭載した車両の説明図である。図３は実施例１のドア開閉アシスト装置のトルクセンサの説明図である。

実施例１のドア開閉アシスト装置は、モータ１、減速機構２ａ〜２ｅ、駆動プーリ３、ガイドプーリ４ａ，４ｂ、駆動アーム５、スライドドア６、支持部材７、速度センサ７１、コントローラ８、クラッチ１６を主要な構成としている。
モータ１は、コントローラ８の制御により、出力軸へアシストのための駆動力を出力する。
減速機構のギア２ａ〜２ｅは、ギアの歯数の比により、モータ１の出力に対して、一定の減速を行い、その減速した分、大きなトルクを得る。

駆動プーリ３は、減速機構のギア２ａ〜２ｅに係合して所定の回転速度で回転するとともに、ベルト９を回転させる。
ガイドプーリ４ａ，４ｂは、自由回転により、ベルト９を設定した経路に張り渡しつつ、スムーズに回転させる。
駆動アーム５は、一端を支持部材７に取り付け、他端をスライドドア６に取り付け、支持部材７の移動する力をスライドドア６に伝達する。
スライドドア６は、図２に示すように車両の側面で、回動する開閉ではなく、車両の側面に沿ってスライド移動することにより開閉するドアである。（以下、ドアと記載の場合は、スライドドア６を指すものとする）

支持部材７は、ベルト９に固定され、ベルト９の回転する力を駆動アーム５に伝達する。
なお、支持部材７の内部には、支持部材７の位置変化を検出することで、スライドドア６の開閉速度を検出する速度センサ７１を設ける。
クラッチ１６は、コントローラ８の制御によって、減速機構のギア２ａ〜２ｅのギア２ｂとギア２ｃの間の回転伝達のオンオフ切替を行う。

本実施例１では、図２に示すように、ドアの操作力の検出をドアノブ部分に設けたトルクセンサ１０により行う。
トルクセンサ１０は、基板１１、ブラシ１２、ドアノブ１３、バネ１４により主に構成されている。
基板１１は、ブラシ１２との接触位置の変化を抵抗の変化として検出する。
ブラシ１２は、ドアノブ１３のドア内部に基端側を取り付けられ、基板１１に先端部が接触し、ドアノブ１３のスライドする動きにともなって、基板１１に接触したまま、スライドする。

ドアノブ１３は、ドアの開閉の際に操作者が持ち、開、閉のそれぞれの方向に力を加える部分であり、本実施例１では、ドアノブ１３は、開、閉のそれぞれの方向に所定の量スライドする構造である。
バネ１４は、ドアノブ１３を開閉の中立位置に保持させるよう力を加えており、操作によりドアノブ１３に開、閉いずれかの方向の力を加えると、ばね性に応じた変位量を生じるものである。

つまり、操作力が加えられるドアノブ１３をバネ１４で中立位置に保持し、ドアノブ１３に取り付けたブラシ１２と基板１１が摺動式のポテンショメータを構成することで、ポテンショメータで検出される位置変化は、バネ１４の圧縮もしくは引っ張りの変位量に相当するため、ドアノブへ加えられる操作力が検出されるのである。

コントローラ８は、トルクセンサ１０、速度センサ７１の検出情報を処理して、その結果に基づいてモータ１を制御する。
図４に示すのは、ドア開閉アシスト装置のコントローラ８のブロック図である。
コントローラ８は、ドア開閉制御演算部８１とモータ駆動制御部８２を主要な構成としている。
ドア開閉制御演算部８１は、トルクセンサ１０からのドア開閉操作力と、速度センサ７１からのドア開閉速度からアシスト力を演算して、駆動指令値を出力する。
モータ駆動制御部８２は、駆動指令値に従って、モータ１を駆動させる。

図５に示すのは、実施例１のドア開閉制御演算部８１のブロック図である。
ドア開閉制御演算部８１は、目標ドア加速度演算部８１１、目標ドア速度演算部８１２、フィードフォワード制御部８１３、フィードバック制御部８１４、駆動指令値演算部８１５を主要な構成としている。
目標ドア加速度演算部８１１は、操作力から理想的な摩擦力を減算し、実際よりも軽い理想的なドア質量で割って（除算）、目標ドア加速度を演算する。理想摩擦力は、例えば定数として与える。

目標ドア速度演算部８１２は、目標ドア加速度を積分して、目標ドア速度を演算する。
フィードフォワード制御部８１３は、ドア開閉操作力、目標ドア加速度、目標ドア速度から、フィードフォワード演算を行い、第１の駆動指令値を演算する。
フィードバック制御部８１４は、目標ドア速度と、実際のドア速度（実ドア速度）の偏差に基づいて、例えば比例制御、つまり偏差に所定ゲインを乗じることによって、第２の駆動指令値を演算する。

図６に示すのは、実施例１のフィードフォワード制御部８１３のブロック図である。
フィードフォワード制御部８１３は、目標アシスト力演算部８１３ａ、目標モータトルク演算部８１３ｂ、目標モータ印加電圧演算部８１３ｃ、モータ回転速度推定部８１３ｄ、モータ逆起電圧推定部８１３ｅ、第１駆動指令値演算部８１３ｆを主要な構成としている。

目標アシスト力演算部８１３ａは、まず目標ドア加速度に実際のドア質量を乗じて、ドアスライド方向に作用すべき力全体の和相当を以下の数式１から求める。

次に、ドアスライド方向に作用する力は、操作力と摩擦力とアシスト力があるので、最初に求めたドアスライド方向作用力の和から、操作力と摩擦力を減算し、目標アシスト力を以下の数式２から求める。

摩擦力は、例えば定数として与える。

目標モータトルク演算部８１３ｂは、ギア比などで決まるモータトルクに対するアシスト力の定常状態での比例定数をＫ１として、予め求めておく。そして、目標アシスト力をＫ１で除して（除算して）、目標モータトルクを以下の数式３から演算する。

目標モータ印加電圧演算部８１３ｃは、目標モータトルクを、モータトルク定数とモータ巻線抵抗値の積で除して、目標モータ印加電圧を以下の数式４から演算する。但し、この値は、逆起電圧が生じないモータ回転速度が０の場合を想定した目標値である。

モータ回転速度推定部８１３ｄは、ギア比などで決まるドア回転速度に対するモータ回転速度の定常状態での比例定数をＫ２として、予め求めておく。目標ドア速度と実際のドア速度はほぼ一致するものとして、目標ドア速度をＫ２で除して、モータ回転速度を以下の数式５から演算する。

モータ逆起電圧推定部８１３ｅは、モータ回転速度に逆起電圧定数（トルク定数と同じ値）を乗じて、逆起電圧を以下の数式６から演算する。

第１駆動指令値演算部８１３ｆは、目標モータ印加電圧に逆起電圧を加算して、第１駆動指令値を以下の数式７から演算する。

次に作用を説明する。
[アシスト制御における追従性の向上と安定性の両立作用]
図７は実施例１のドア開閉アシスト装置におけるアシスト力、摩擦力、操作力のタイムチャートである。
図８は実施例１のドア開閉アシスト装置における目標ドア速度、実ドア速度のタイムチャートである。
図９は実施例１のドア開閉アシスト装置におけるドア移動距離のタイムチャートである。
図１０は実施例１のドア開閉アシスト装置における第１駆動指令値、第２駆動指令値のタイムチャートである。
なお、図７〜図１０は、同一動作に対するタイムチャートである。

実施例１のアシスト制御では、図７に示すように、理想的なドアを設定し、摩擦力１１０が考慮され、アシスト力１００が設定、出力されるため、ドアの開閉操作力１２０は、少ない力で軽くドア６を操作できることになる。
そのため、ドア６の開閉は図９のドア移動距離１５０に示すように滑らかなものとなる。
また、結果的に図８に示すように、目標ドア速度１３０、実ドア速度１４０が重なって見えるよう一致していることから、理想的なドアを設定した軽い操作が充分に実現できていることがわかる。

実施例１では、実際の操作力と目標ドア加速度から、制御が目標としているモータの印加電圧を演算する。さらに、目標ドア速度から、モータ１の回転速度を推定し、モータ１に生じる逆起電圧を推定する。
そして、制御が目標としているモータの印加電圧を、モータ１に生じる逆起電圧を考慮して、決定し、これに相当する駆動指令値を第１の駆動指令値とする。
そのため、制御が必要としている駆動指令値のほとんどが推定されて、フィードフォワード制御分として出力されることになる（図１０参照）。

このように、実施例１では、精度よく制御が必要としている制御量を推定し、その推定を元に第１の駆動指令値を出力するため、制御遅れを少なくして、必要な駆動指令値が出力できる。そのため、目標に対する追従性が向上する。

次に、実施例１のように必要な制御量の大部分をフィードフォワード制御部８１３で演算し、出力すると、フィードバック制御部８１４では、演算出力する制御量を少なくすることになる（図１０参照）。そのため、フィードバック制御は安定したものとなり、制御出力を振動させるようなことがなくなる。
そのため、フィードフォワード制御分により目標への追従性を向上させても、外乱等に対するフィードバック制御は安定して行われ、制御安定性が確保される。

次に効果を説明する。
実施例１のドア開閉アシスト装置にあっては、以下の効果を有する。

(1)車両ドアの操作力をアシストするモータ１と、モータ１の駆動力を、車両ドアを移動させる機構へ伝達するギア２ａ〜２ｅ及び駆動プーリ３と、車両のドアノブへのドア開閉操作力を検出するトルクセンサ１０と、車両のドア開閉速度を検出する位置センサ７１と、ドア開閉操作力から、実際よりも軽いドア質量に基づいて、目標ドア加速度を演算する目標ドア加速度演算部８１１と、目標ドア加速度を積分して目標ドア速度を演算する目標ドア速度演算部８１２と、ドア開閉操作力と目標ドア加速度、目標ドア速度から、第１駆動指令値を演算するフィードフォワード制御部８１３と、目標ドア速度と実ドア速度の差を小さくする、第２駆動指令値を演算するフィードバック制御部８１４と、第１駆動指令値と第２駆動指令値を加算して、最終段としての駆動指令値を演算する駆動指令値演算部８１５を備えたため、目標への追従性の向上と、制御の安定性を両立させることができる。

(2)アクチュエータは電動のモータ１であり、フィードフォワード制御部８１３は、ドア開閉操作力と目標ドア加速度から、目標アシスト力を演算する目標アシスト力演算部８１３ａと、モータのトルクとアシスト力の定常状態での比例関係に基づき、目標アシスト力から、目標モータトルクを演算する目標モータトルク演算部８１３ｂと、目標モータトルクを、モータのトルク定数とモータの巻線抵抗値の積で除して、目標モータ印加電圧を演算する目標モータ印加電圧演算部８１３ｃと、ドア速度とモータ回転速度の定常状態での比例関係に基づき、目標ドア速度からモータ回転速度を推定するモータ回転速度推定部８１３ｄと、モータ回転速度推定値から、モータの逆起電圧を推定するモータ逆起電圧推定部８１３ｃと、目標モータ印加電圧に逆起電圧を加算して、第１駆動指令値を演算する第１駆動指令値演算部８１３ｆを備えるため、モータの逆起電圧を考慮して、精度よくフィードフォワード制御演算を行い、これにより必要制御量の大部分をフィードフォワード制御が占めることができるようにし、充分な目標に対する追従性の向上効果を得るようにでき、さらにこれによりフィードバック制御分を外乱等に対するものにできるため、制御安定性を充分に得られるようにできる。

さらに実施例１のドア開閉アシスト装置の作用効果を言い換えて説明する。
従来では、ドア開閉のアシスト力は、フィードバック制御を行っていたのに対して、実施例１のドア開閉アシスト装置では、フィードフォワード制御部８１３により、必要なアシスト力の駆動指令値出力のほとんどを受け持つようにする。
モータ印加電圧に対する発生トルクの関係や、モータ、ドア間に存在する減速ギアのギア比、ドア質量、ドアに作用する摩擦力などの値を予め求めておいて、フィードフォワード制御部８１３は、これらの値をプラント情報としてアシスト力の演算に用いる。これらの値の個体間のばらつきや、経時的な変動によって、制御パラメータと実機とのマッチングがとれなくなる場合が予想される。この場合、フィードフォワード制御部８１３で計算するアシスト力に過不足が生じることになる。フィードバック制御部８１４は、目標速度と実速度の差から、この過不足を抑えるようにアシスト力を補正することを行う。よって、フィードバック制御部８１４は従来のような高いゲイン設定をする必要がなく、十分安定性のある制御を構成することができる。

以上、本発明のドア開閉アシスト装置を実施例１に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの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。

理想ドアとして設定する軽いドアは、一定質量とする必要はなく、例えば、操作初期、移動状態、操作終了期等で、又は非線形的に変わるようにしてもよい。
アクチュエータとしては、モータを例として挙げたが、空気圧や油圧を用いるものであってもよく、モータに限らない。
トルクセンサは、磁歪式のものであってもよい。
速度センサは、接触式や非接触式のものなどがあるが、精度を満たせば、どの方式、構成のものであってもよい。
実施例１では、車両のドア動作状態として、例えばドア速度を検出するようにしたが、ドア位置やドア加速度であってもよい。

ここで、本請求項及び本明細書に記載の「理想ドア」について説明しておく。
本請求項及び本明細書における理想ドアは、従来のように、スイッチあるいは操作を基点にして、自動的にドアが所定速度で開閉するようなものではなく、操作者の意思を強く反映して開閉されるドアを理想とする。
例えば、極端な例を言えば、家屋の建具である襖や障子は、軽く、開閉操作を途中で止めることで開度が変更される。
これは極端な例であり、実際には５０kg程度のドアを軽い１０kg程度することを理想とし、その上で、操作者が主体で操作意思が反映され、開閉操作を途中で止めることで開度が変更され、自然な軽いドアを操作しているフィーリングを得ることができるドアを理想とする。
このため、「理想ドア」とある場合には、質量などの値が上記のようなことを考慮して設定されたものを「理想ドア」とする。

本願は、移動体のドアへの利用のほか、建物のドアへの利用も容易である。

実施例１のドア開閉アシスト装置の概略を示す説明図である。 実施例１のドア開閉アシスト装置を車両に搭載した車両の説明図である。 実施例１のドア開閉アシスト装置のトルクセンサの説明図である。 実施例１のドア開閉アシスト装置のコントローラのブロック図である。 ドア開閉制御演算部のブロック図である。 実施例１のフィードフォワード制御部のブロック図である。 実施例１のドア開閉アシスト装置におけるアシスト力、摩擦力、操作力のタイムチャートである。 実施例１のドア開閉アシスト装置における目標ドア速度、実ドア速度のタイムチャートである。 実施例１のドア開閉アシスト装置におけるドア移動距離のタイムチャートである。 実施例１のドア開閉アシスト装置における第１駆動指令値、第２駆動指令値のタイムチャートである。

符号の説明

１ モータ
２ａ （減速機構の）ギア
２ｂ （減速機構の）ギア
２ｃ （減速機構の）ギア
２ｄ （減速機構の）ギア
２ｅ （減速機構の）ギア
３ 駆動プーリ
４ａ，４ｂ ガイドプーリ
５ 駆動アーム
６ スライドドア
７ 支持部材
７１ 速度センサ
８ コントローラ
８１ ドア開閉制御演算部
８１１ 目標ドア加速度演算部
８１２ 目標ドア速度演算部
８１３ フィードフォワード制御部
８１３ａ 目標アシスト力演算部
８１３ｂ 目標モータトルク演算部
８１３ｃ 目標モータ印加電圧演算部
８１３ｄ モータ回転速度推定部
８１３ｅ モータ逆起電圧推定部
８１３ｆ 第１駆動指令値演算部
８１４ フィードバック制御部
８１５ 駆動指令値演算部
８２ モータ駆動制御部
９ ベルト
１０ トルクセンサ
１１ 基板
１２ ブラシ
１３ ドアノブ
１４ バネ
１５ 装置設置位置
１６ クラッチ

Claims (2)

1. 車両ドアの操作力をアシストするアクチュエータと、
   前記アクチュエータの駆動力を、前記車両ドアを移動させる機構へ伝達する駆動力伝達機構と、
   車両のドアノブへのドア開閉操作力を検出する操作力検出手段と、
   車両のドア開閉速度を検出するドア速度検出手段と、
   前記ドア開閉操作力から、実際よりも軽いドア質量に基づいて、目標ドア加速度を演算する目標ドア加速度演算手段と、
   目標ドア加速度を積分して目標ドア速度を演算する目標ドア速度演算手段と、
   ドア開閉操作力と目標ドア加速度、目標ドア速度から、第１駆動指令値を演算するフィードフォワード制御手段と、
   目標ドア速度と実ドア速度の差を小さくする、第２駆動指令値を演算するフィードバック制御手段と、
   前記第１駆動指令値と前記第２駆動指令値を加算して、最終段としての駆動指令値を演算する最終駆動指令値演算手段と、
   を備えた、
   ことを特徴とするドア開閉アシスト装置。
2. 請求項１に記載のドア開閉アシスト装置において、
   前記アクチュエータは電動のモータであり、
   前記フィードフォワード制御手段は、
   ドア開閉操作力と目標ドア加速度から、目標アシスト力を演算する目標アシスト力演算手段と、
   前記モータのトルクとアシスト力の定常状態での比例関係に基づき、目標アシスト力から、目標モータトルクを演算する目標モータトルク演算手段と、
   目標モータトルクを、前記モータのトルク定数と前記モータの巻線抵抗値の積で除して、目標モータ印加電圧を演算する目標モータ印加電圧演算手段と、
   ドア速度とモータ回転速度の定常状態での比例関係に基づき、目標ドア速度からモータ回転速度を推定するモータ回転速度推定手段と、
   モータ回転速度推定値から、モータの逆起電圧を推定するモータ逆起電圧推定手段と、
   目標モータ印加電圧に逆起電圧を加算して、第１駆動指令値を演算する第１駆動指令値演算手段と、
   を備えることを特徴とするドア開閉アシスト装置。

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