JP2009298371A - 車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱設計負担を軽減することができ、これにより、コストの低減を実現できる車両用操舵装置を提供する。
【解決手段】ステアリングホイール１に結合された回転シャフト１０には、反力トルク（操作反力）を発生する反力モータ１９が結合されている。反力モータ１９は、ＥＣＵ２５によって駆動される。ステアリングホイール１の操作角δｈは、角度センサ１１によって検出される。ＥＣＵ２５は、反力モータ１９のための駆動回路２３を備えている。ステアリングホイール１の操作角範囲は、反力モータ１９から操作不能反力レベルの反力トルクを発生させることによって制限される。操作角範囲の限界値は、各相モータ電流の２乗値のピークを外して定めた電気角に対応するように設定されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、車両の操向のための操作部材に反力を付与する反力モータを備えた車両用操舵装置に関する。

車両用操舵装置として、ステアリングホイールと舵取り機構との機械的な結合をなくし、ステアリングホイールの操作角をセンサによって検出するとともに、そのセンサの出力に応じて制御される操舵用アクチュエータの駆動力を舵取り機構に伝達するようにしたステア・バイ・ワイヤシステムが提案されている（特許文献１）。ステア・バイ・ワイヤシステムでは、ステアリングホイールの操作角に対する舵取り車輪の転舵角の比（転舵角比）を自由に定めることができる。また、操舵用アクチュエータの制御による転舵角制御をステアリングホイールの操作とは独立して行うことができ、これにより、操舵制御による車両挙動安定化制御を行うこともできる。

転舵角比を変更することができる車両用操舵装置は、ステア・バイ・ワイヤシステムだけではなく、たとえば、ステアリングホイールと舵取り機構との間に、回転伝達比を変更できる可変伝達比ユニットを介在させた可変ギヤ比ステアリングシステムにおいても、転舵角比の可変制御が可能である（特許文献２）。
ステア・バイ・ワイヤシステム等では、ステアリングホイールに操作反力を付与するための反力モータが備えられる。この反力モータは、ステアリングホイールの操作角および車速に応じて制御される。これにより、ステアリングホイールと舵取り機構とが機械的に結合された従来型の車両用操舵装置と同様な操作反力がステアリングホイールに付与されるようになっている。
特開２００１−２３３２２９号公報 特開２００６−２８０５号公報 特開２００３−１８２６２０号公報

舵取り機構の転舵角範囲には物理的制限があるから、これに対応して、ステアリングホイールの操作角範囲に対しても制限を加える必要がある。操作角範囲を機械的に制限するのが簡単であるが、配置スペースを確保する必要があるうえ、機構部品費用および組み立て工数のために、コストが高く付く。
そこで、操作角範囲の両端において、反力モータから大きな操作反力を発生させることにより、運転者の操舵力に対抗させることが考えられる（特許文献３）。

ところが、反力モータによる操作反力によって運転者の操舵力に対抗するためには、反力制御のモータ電流常用域より大きなモータ電流を反力モータに供給する必要がある。そのため、反力モータを制御するためのＥＣＵ（電子制御ユニット）のパワー駆動部への負担が大きく、それに応じた熱設計が必要になる。したがって、ＥＣＵのコストアップが避けられず、コストが高く付く。

より具体的に説明すると、反力モータを三相ブラシレスモータで構成する場合には、各相電流が正弦波交流となる。この場合、操作角両端がいずれかの相の正弦波のピーク電流に対応する場合が最悪の状況である。この場合に、パワー素子に流れる電流が最大となり、それに応じて発熱量も最大となる。操作角範囲の両端位置を任意に設定するとすれば、ＥＣＵのパワー駆動部の設計は、この最悪の状況に合わせた設計としなければならない。

そこで、この発明の目的は、操作角範囲の制限を考慮した熱設計負担を軽減することができ、これにより、コストの低減を実現できる車両用操舵装置を提供することである。

上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、車両の操向のための操作部材（１）に操作反力を付与するための多相ブラシレスモータからなる反力モータ（１９）と、前記操作部材の操作角範囲の限界値（δｈ_limit）を前記反力モータの反力制御で規定することが可能な反力制御手段（３７）と、を備え、前記操作角範囲の限界値が、前記反力モータの各相モータ電流の２乗値に応じて定めた電気角と一致している、車両用操舵装置である。なお、括弧内の数字は後述の実施形態における対応構成要素等を表す。以下、この項において同じ。

モータを駆動するためのパワー素子（４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗ，４２Ｕ，４２Ｖ，４２Ｗ）における発熱量は、このパワー素子に流れる電流の２乗値に比例する。そこで、この２乗値が大きくならない電気角において、操作角範囲を制限するための反力制御を行うようにすれば、パワー素子における発熱量を小さくすることができる。それに応じて、熱設計負担を軽減することができるから、コストの低減を図ることができる。

より具体的には、請求項２に記載されているように、前記電気角が、各相モータ電流の２乗値のピークを外して定められていることが好ましい。これにより、熱設計負担を効果的に低減することができる。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る車両用操舵装置の構成を説明するための図解図であり、ステア・バイ・ワイヤシステムの構成が示されている。この車両用操舵装置は、運転者が操向のために操作する操作部材としてのステアリングホイール１と、ステアリングホイール１の回転操作に応じて駆動される操舵用アクチュエータ２と、操舵用アクチュエータ２の駆動力を、舵取り車輪としての前方左右車輪４に伝達するステアリングギヤ３とを備えている。ステアリングホイール１と、操舵用アクチュエータ２等を含む舵取り機構５との間には、ステアリングホイール１に加えられた操作トルクが舵取り機構５に機械的に伝達されるような機械的な結合はなく、ステアリングホイール１の操作量（操作角または操作トルク）に応じて操舵用アクチュエータ２が駆動制御されることによって、車輪４が転舵されるようになっている。

操舵用アクチュエータ２は、例えば公知のブラシレスモータ等の電動モータにより構成できる。ステアリングギヤ３は、操舵用アクチュエータ２の出力シャフトの回転運動をステアリングロッド７の直線運動（車両左右方向の直線運動）に変換する運動変換機構を有する。ステアリングロッド７の動きがタイロッド８およびナックルアーム９を介して車輪４に伝達され、車輪４のトー角（転舵角）が変化する。ステアリングギヤ３は、公知のものを用いることができ、操舵用アクチュエータ２の動きを舵角が変化するように車輪４に伝達できれば構成は限定されない。なお、操舵用アクチュエータ２が駆動されていない状態では、車輪４がセルフアライニングトルクにより直進操舵位置に復帰できるようにホイールアラインメントが設定されている。

ステアリングホイール１は、車体側に回転可能に支持された回転シャフト１０に連結されている。この回転シャフト１０には、ステアリングホイール１に作用する反力トルク（操作反力）を発生する反力モータ１９が設けられている。この反力モータ１９は、回転シャフト１０と一体の出力シャフトを有するブラシレスモータ等の電動モータにより構成できる。

車体と回転シャフト１０との間には、ステアリングホイール１を直進操舵位置に復帰させる方向の弾力を付与する弾性部材３０が設けられている。この弾性部材３０は、たとえば、回転シャフト１０に弾力を付与するバネにより構成できる。反力モータ１９が回転シャフト１０にトルクを付加していないとき、ステアリングホイール１は、弾性部材３０の弾力により、直進操舵位置に復帰する。

ステアリングホイール１の操作角（回転角）δｈを検出するために、回転シャフト１０の回転角を検出する角度センサ１１が設けられている。また、車両の運転者がステアリングホイール１に作用させる操作トルクＴｈを検出するために、回転シャフト１０により伝達されるトルクを検出するトルクセンサ１２が設けられている。さらに、車両の舵角（舵取り機構５の転舵角）δを検出するための舵角センサ１３が、当該舵角に対応するステアリングロッド７の作動量を検出するポテンショメータにより構成されている。また、車速Ｖを検出する速度センサ１４、車両の横加速度Ｇｙを検出する横加速度センサ１５、および車両のヨーレートγを検出するヨーレートセンサ１６が設けられている。

これらの角度センサ１１、トルクセンサ１２、舵角センサ１３、速度センサ１４、横加速度センサ１５およびヨーレートセンサ１６は、コンピュータにより構成される制御装置２０にそれぞれ接続されている。制御装置２０は、駆動回路２２，２３を介して、操舵用アクチュエータ２および反力モータ１９を制御するようになっている。制御装置２０および駆動回路２２，２３は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）２５内に組み込まれている。駆動回路２２，２３は、操舵用アクチュエータ２および反力モータ１９のためのパワー駆動部である。

図２は、制御装置２０の制御ブロック図を示す。ステアリングホイール１には、運転者が操作トルクＴｈを加え、反力モータ１９が反力トルクＴｍを加える。ステアリングホイール１の操作量としての操作角δｈは角度センサ１１によって検出されて、制御装置２０に入力される。
制御装置２０は、ソフトウェア処理によって実現される機能処理手段として、転舵角設定部３１と、目標ヨーレート設定部３２と、ヨーレート偏差演算部３３と、転舵角補正値演算部３４と、設定転舵角補正部３５と、目標電流演算部３６と、反力設定部３７とを備えている。

転舵角設定部３１は、伝達関数Ｋ_δ（Ｖ）を用い、操作角δｈおよび車速Ｖに応じた転舵角設定値δ_FF ^*を求める。この転舵角設定値δ_FF ^*が設定転舵角補正部３５に与えられるようになっている。このように、転舵角設定部３１は、操舵状態に応じて転舵角設定値δ_FF ^*（舵角値）を定めるための舵角フィードフォワード制御値設定手段としての機能を有している。

目標ヨーレート設定部３２は、操作角δｈおよび車速Ｖに基づき、伝達関数Ｋγ（Ｖ）を用いて、車両挙動目標値としての目標ヨーレートγ^*を求める。この目標ヨーレートγ^*は、ヨーレート偏差演算部３３に与えられるようになっている。
ヨーレート偏差演算部３３は、目標ヨーレートγ^*から、ヨーレートセンサ１６によって検出される車両１００の実際のヨーレートγを差し引いて、これらの偏差Δγを求める。

転舵角補正値演算部３４は、伝達関数Ｃ_FB（ｓ）（ただし、ｓはラプラス演算子）を用い、前記ヨーレート偏差Δγに応じた転舵角補正値δ_FB ^*を求める。この転舵角補正値δ_FB ^*は、設定転舵角補正部３５に与えられるようになっている。
設定転舵角補正部３５は、転舵角設定値δ_FF ^*を転舵角補正値δ_FB ^*で補正して目標転舵角δ^*を求める。こうして、ヨーレートセンサ１６によって検出されるヨーレートγをフィードバックして、車両１００のヨーレートを目標ヨーレートγ^*へと導く車両挙動安定化制御が行われる。すなわち、ヨーレート偏差Δγの絶対値が大きければ、それに応じて転舵角補正値δ_FB ^*（舵角補正値）の絶対値が大きくなり、運転者のステアリングホイール１の操作とは関係なく転舵角を変更するアクティブ操舵制御が行われることになる。

前記ヨーレート偏差演算部３３および転舵角補正値演算部３４は、車両挙動に応じた転舵角補正値δ_FB ^*（舵角補正値）を設定する舵角フィードバック制御値設定手段として機能し、さらにこれに目標ヨーレート設定部３２を加えて、車両挙動を安定化させるための車両挙動安定化制御手段が構成されている。
目標電流演算部３６は、伝達関数Ｃ_δ（ｓ）を用いて、目標転舵角δ^*に応じた目標電流値ｉ^*を求める。この目標電流ｉ^*が達成されるように、操舵用アクチュエータ２が制御されることにより、舵取り機構５の転舵角δが目標転舵角δ^*に近づけられる。

反力設定部３７は、目標反力トルク基本値設定部３７Ａと、ゲイン乗算部３７Ｂと、操作角範囲制限部３７Ｃとを有している。目標反力トルク基本値設定部３７Ａは、角度センサ１１によって検出される操作角δｈおよび車速Ｖに基づき、伝達関数Ｋc（Ｖ）を用いて目標反力トルク基本値を求める。この目標反力トルク基本値に対して、ゲイン乗算部３７Ｂは、操作トルクＴｈに応じたトルクゲインＫ_Tを乗じる。このトルクゲインＫ_Tが乗じられた目標反力トルク基本値に対して、さらに、操作角範囲制限部３７Ｃは、操作角範囲を制限するための補正を加える。これにより、目標反力トルクＴｍ^*が得られる。この目標反力トルクＴｍ^*に基づいて、反力モータ１９が制御される。

こうして、反力モータ１９は、操作角δｈおよび車速Ｖならびに操作トルクＴｈに応じた反力トルクＴｍをステアリングホイール１に付与するように動作する。これにより、舵取り機構５側に加わる外力をステアリングホイール１に帰還するバイラテラルサーボシステムが構成されている。
図３は、反力モータ１９のための駆動回路２３の構成を示す電気回路図である。反力モータ１９は、たとえば、三相ブラシレスモータで構成されている。この反力モータ１９のＵ相巻線、Ｖ相巻線およびＷ相巻線に対して、Ｕ相電流Ｉ_U、Ｖ相電流Ｉ_VおよびＷ相電流Ｉ_Wが駆動回路２３から与えられるようになっている。

駆動回路２３は、Ｕ相に対応した直列回路４０Ｕと、Ｖ相に対応した直列回路４０Ｖと、Ｗ相に対応した直列回路４０Ｗとを備え、これらが電源（車載バッテリ。図示せず）に対して並列に接続されている。直列回路４０Ｕは、ハイサイドパワースイッチング素子４１Ｕと、ローサイドパワースイッチング素子４２Ｕとを直列に接続し、これらの間の接続点４３Ｕを反力モータ１９のＵ相巻線に接続して構成されている。同様に、直列回路４０Ｖは、ハイサイドパワースイッチング素子４１Ｖと、ローサイドパワースイッチング素子４２Ｖとを直列に接続し、これらの間の接続点４３Ｖを反力モータ１９のＶ相巻線に接続して構成されている。また、直列回路４０Ｗは、ハイサイドパワースイッチング素子４１Ｗと、ローサイドパワースイッチング素子４２Ｗとを直列に接続し、これらの間の接続点４３Ｗを反力モータ１９のＷ相巻線に接続して構成されている。

制御装置２０（図１参照）には、パワースイッチング素子４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗ，４２Ｕ，４２Ｖ，４２ＷをＰＷＭ（パルス幅変調）駆動するためのマイクロコンピュータ（図示せず）が備えられている。これにより、たとえば、反力モータ１９のＵ相、Ｖ相およびＷ相巻線に正弦波状の相電流Ｉ_U，Ｉ_V，Ｉ_Wが流れるように、反力モータ１９が正弦波駆動される。

図４は、操作角範囲制限部３７Ｃによる操作角範囲制限処理を説明するための図である。車輪４の転舵角には物理的な制限があるので、ステアリングホイール１の操作角範囲にもそれに応じた制限を加える必要がある。この実施形態では、操作角範囲の限界値（左右の限界値）が予め設定され、操作角δｈの絶対値が限界値に達すると、反力設定部３７（より具体的には操作角範囲制限部３７Ｃ）の働きによって、運転者が操作不可能となるレベル（操作不能反力レベル）の反力トルクＴｍ（操作反力）が反力モータ１９からステアリングホイール１に付与されるようになっている。このときの反力トルクＴｍは、運転者の操作トルクＴｈと同じ大きさとされる。すなわち、操作角δｈが限界値に達したときには、操作不能反力レベルまでの（すなわち、操作不能反力レベルを上限として）、運転者の操作トルクＴｈに等しい大きさの反力トルクＴｍが反力モータ１９から発生されることになる。これにより、反力モータ１９から発生する反力トルクＴｍが運転者の操作トルクＴｈに対抗するので、ステアリングホイール１をそれ以上切り込むことができなくなる。

図４には、操作角範囲制限のための目標電流成分（反力モータ１９の最終的な目標電流値は、他の目標電流成分との重ね合わせで定まる）の上限値と操作角δｈとの関係が示されている。操作角δｈの絶対値が限界値δｈ_limitに近づくに従って目標電流成分の上限値が急峻に立ち上がり、限界値δｈ_limitに達すると、目標電流成分の上限値は、操作不能反力レベルに対応した最大電流値まで立ち上がるようになっている。

図５は、図４に示された目標電流成分に対応する各相電流Ｉ_U，Ｉ_V，Ｉ_Wを示す図である。操作角範囲制限のための目標電流成分が大きくなるに従って各相電流の振幅が大きくなっている。
図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃは、操作角範囲の限界値δｈ_limitの設定を説明するための図である。図６Ａは電気角に対応する各相電流Ｉ_U，Ｉ_V，Ｉ_Wを示し、図６Ｂは電気角に対応する各相電流Ｉ_U，Ｉ_V，Ｉ_Wの絶対値を示し、図６Ｃは電気角に対応する各相電流Ｉ_U，Ｉ_V，Ｉ_Wの絶対値の２乗値｜Ｉ_U｜²，｜Ｉ_V｜²，｜Ｉ_W｜²（各相電流の２乗値に等しい）を示す。

パワースイッチング素子における発熱量は、相電流の２乗に比例することから、いずれかの相電流の２乗値が最大値（極大値）となる電気角の位置を限界値δｈ_limitとして操作角範囲制限を行うと、熱設計負担が大きくなる。
そこで、この実施形態では、相電流の２乗値が極大値となる電気角を避けて限界値δｈ_limitが定められている。より具体的には、図６Ｃに示す電気角範囲Δ１〜Δ６のいずれかに対応するように限界値δｈ_limitが設定されている。これにより、操作角範囲制限のための反力制御のときにパワースイッチング素子に流れる電流の２乗値を抑制できることから、駆動回路２３の熱設計負担を小さくすることができる。すなわち、いずれかの相に電流が集中する電気角を避けるように、操作角範囲の限界値δｈ_limitを設定することによって、各相に電流を分散させることができるので、各パワースイッチング素子における発熱量を抑制することができる。

前記の電気角範囲Δ１〜Δ６は、たとえば、次のように設定されている。ただし、θ（０°≦θ≦３６０°）は電気角である。
Δ１… ０°≦θ≦１０°，３５０°≦θ≦３６０°
Δ２… ５０°≦θ≦７０°
Δ３… １１０°≦θ≦１３０°
Δ４… １７０°≦θ≦１９０°
Δ５… ２３０°≦θ≦２５０°
Δ６… ２９０°≦θ≦３１０°
たとえば、相電流の２乗値のピークに対応する電気角π／２(rad)に対応するように操作角範囲の限界値δｈ_limitを設定した場合に、パワースイッチング素子が受ける電力が最大となる。これに対して、たとえば、電気角π／３(rad)に対応するように操作角範囲の限界値δｈ_limitを設定した場合にパワースイッチング素子が受ける電力は最小となる。したがって、次式より、パワースイッチング素子が受ける電力の低下率は、最大で、２５％となる。

図７は、反力設定部３７による処理を説明するためのフローチャートである。反力設定部３７は、角度センサ１１が検出する操作角δｈおよび速度センサ１４が検出する車速Ｖならびにトルクセンサ１２が検出する操作トルクＴｈを取り込み（ステップＳ１）、これらに対応する目標反力トルク基本値を設定する（ステップＳ２）。さらに、反力設定部３７は、操作角δｈが操作角範囲の限界値δｈ_limitに達しているかどうか（または限界値δｈ_limitの近傍の所定範囲内の値かどうか）を判断する（ステップＳ３）。

操作角δｈが操作角範囲の限界値δｈ_limitであれば（ステップＳ３：ＹＥＳ）、反力設定部３７（具体的には操作角範囲制限部３７Ｃ）は、操作角範囲制限処理を実行する（ステップＳ４）。具体的には、トルクセンサ１２によって検出される操作トルクＴｈを打ち消すように目標反力トルク基本値を補正して目標反力トルクＴｍ^*が設定される。こうして設定される目標反力トルクＴｍ^*に基づいて反力モータ１９が駆動されることにより、運転者はそれ以上ステアリングホイール１を操作することができなくなり、操作角範囲が制限されることになる。

操作角δｈが操作角範囲の限界値δｈ_limitでなければ（ステップＳ３：ＮＯ）、操作角範囲制限処理は実行されず、目標反力トルク基本値を目標反力トルクＴｍ^*として、反力モータ１９が駆動される。
以上のように、この実施形態によれば、操作角範囲の限界値δｈ_limitが、相電流の２乗値のピーク値を回避した電気角に相当するように設定されている。これにより、操作角範囲制限処理の際に複数相のパワースイッチング素子に電流を分散することができ、個々のパワースイッチング素子が受ける電力の最大値を抑制することができる。その結果、パワースイッチング素子における発熱量を抑制することができるので、駆動回路２３の熱設計負担を軽減することができる。これにより、ＥＣＵ２５のパワー駆動部の設計が容易になるので、コストの低減を図ることができる。

以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することも可能である。たとえば、反力モータ１９が３相ブラシレスモータからなる場合を例にとったが、その他の多相ブラシレスモータを反力モータ１９に適用してもよい。
また、前述の実施形態では、ステア・バイ・ワイヤシステムを例にとったが、同様な制御は、ステアリングホイールと舵取り車輪との間が、操作角と転舵角との関係が可変な可変ギヤ比型操舵装置に対しても適用することができる。この場合、ステアリングホイールと舵取り車輪との間は、必ずしも機械的に切り離されている必要はなく、たとえば、可変伝達比ユニットを介して両者間が機械的に結合されていてもよい。また、車両の操舵状態を模擬するシミュレータやゲーム機において、操作部材の操作角範囲を制限する場合にも、この発明の適用が可能である。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

この発明の一実施形態に係る車両用操舵装置の構成を説明するための図解図である。 図１の実施形態に係る制御ブロック図である。 反力モータのための駆動回路の構成を示す電気回路図である。 操作角範囲制限のための目標電流成分の上限値を説明するための図である。 図４に示された目標電流成分に対応する各相電流を示す図である。 操作角範囲の限界値の設定を説明するための図であり、図６Ａは電気角に対応する各相電流を示し、図６Ｂは電気角に対応する各相電流の絶対値を示し、図６Ｃは電気角に対応する各相電流の絶対値の２乗値を示す。 反力制御の内容を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１…ステアリングホイール、１１…角度センサ、１９…反力アクチュエータ、２５…ＥＣＵ、３７…反力設定部、３７Ｃ…操作角範囲制限部、４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗ…各相のハイサイドパワースイッチング素子、４２Ｕ，４２Ｖ，４２Ｗ…各相のローサイドパワースイッチング素子

Claims (2)

1. 車両の操向のための操作部材に操作反力を付与するための多相ブラシレスモータからなる反力モータと、
   前記操作部材の操作角範囲の限界値を前記反力モータの反力制御で規定することが可能な反力制御手段と、を備え、
   前記操作角範囲の限界値が、前記反力モータの各相モータ電流の２乗値に応じて定めた電気角と一致している、車両用操舵装置。
2. 前記電気角が、各相モータ電流の２乗値のピークを外して定められている、請求項１記載の車両用操舵装置。

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