JP2013123984A - 車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】停車時や極低車速において車両の速い操舵を行った場合に、モータの駆動電流を低減することにより、操舵フィーリングを犠牲にしないで車載電源の電気負荷を低減させる。
【解決手段】ハンドルを転回させる速度θｈ′を閾値ｓと比較し（ステップＳ４）、操舵速度θｈ′が閾値ｓより小さければ、ステップＳ６に進み、モータ消費電流を低減するために制限電圧Ｖmaxとしてバッテリ電源の電圧値Ｖ０を規定値として設定する。操舵速度θｈ′が閾値ｓ以上であれば、ハンドル据え切り時の消費電流を低減するために、制限電圧Ｖmaxとして、規定値Ｖ０よりも小さな値 “Ｖ０／ｎ”を設定する。 “ｎ”は「遅れ調整パラメータ」であり、１を超える実数である。
【選択図】図３

Description

本発明は車両用操舵装置に関する。

車両用操舵装置の一例である電動パワーステアリングシステム（以下「ＥＰＳ」という）は、ステアリングホイール（操舵部材）に加えられる操舵トルクと車速とを検出し、その操舵トルク信号と車速信号とをＥＰＳ電動モータ制御回路へ送り、ＥＰＳ電動モータ制御回路で、これらの信号から求められる操舵トルクと車速とに対応した駆動電流を操舵補助電動モータに流すようにして、適切な操舵補助制御を行うシステムである。このシステムのステアリングギア機構は、操舵補助電動モータが連結されたピニオン軸と、ピニオン軸に噛み合い、車両の左右方向に延びる転舵軸としてのステアリングラック軸とを含んでいる。なお、操舵補助電動モータをステアリングラック軸と同軸に設置したラック同軸型の操舵補助電動モータもある。

一方、ステアバイワイヤシステム（ＳＢＷ）は、操舵する側のステアリングコラム機構と操舵される側のステアリングギア機構とを機械的に切り離し、電気信号を介して、操舵部材の回転に応じて車輪の転舵角が変化するように車両の操舵を行うシステムである。ステアリングギア機構に転舵電動モータを配置し、車輪に連結される転舵軸の作動を行っている。

アクティブ・フロントステアリングシステム（ＡＦＳ）は、ハンドルの操作量と車輪の転舵角との関係をフレキシブルに変化させることができるギア比可変機構を使って、車輪の転舵角を最適にコントロールするシステムである。
いずれのシステムも、ステアリングラック軸の一対の端部のそれぞれにタイロッドを介してナックルアームが回動可能に連結されている。ステアリングラック軸にかかる左方向又は右方向の力を「ラック軸力」と言う。操舵部材を操舵したり、転舵電動モータを回転させたりすると、ラック軸力が発生し、発生したラック軸力に基づいてナックルアームが回動し転舵輪を転回させる。

特開2003-2224号公報

前述した操舵補助電動モータ又は転舵電動モータに流される電流は、停車時や極低車速においても通常の走行時と同様に制御されていた。すなわち停車時や極低車速においては、操舵トルクは操舵部材の回転速度（操舵速度）と正の相関性がある。そのため、停車時における操舵や極低車速で操舵を行う場合において、操舵速度に応じた駆動電流が操舵補助電動モータ又は転舵電動モータに流れ、電力が消費されていた。

図４は、停車時に−７２０度から＋７２０度まで操舵部材を一気に回転させたときにおける、操舵角と操舵補助電動モータの駆動電流との関係を、操舵速度別に測定したグラフである。（１）は操舵速度が653度／秒、（２）は操舵速度が332度／秒、（３）は操舵速度が143度／秒、（４）は操舵速度が27度／秒の場合の各データを示す。同グラフによれば、操舵部材の回転量が同じでも、操舵部材をゆっくり回す場合に比べて、速く回すほど駆動電流が増大していることがわかる。

最近、電気自動車、ハイブリッド自動車を初めとして、自動車の電化が進展しており、車載電源の電気負荷は増加傾向となっている。その中で、車両用操舵装置に対しても、中、低電力化が求められている。
そこで本発明は、停車時や極低車速において車両の舵取りを行った場合にモータの駆動電流を低減することにより、操舵フィーリングを犠牲にしないで車載電源の電気負荷を減らすことのできる車両用操舵装置を提供することを目的とする。

本発明の車両用操舵装置は、車輪を転舵させるための電動モータを搭載した車両用操舵装置において、車両が停車時又は極低車速時であるかどうかを判定し、停車時又は極低車速時であることが判定された場合に、操舵部材を操舵する操舵速度が所定の閾値より大きなことを条件として、前記電動モータで消費される電力に制限を加えるための制限値を出力する制限値設定部と、前記制限値設定部から供給された制限値を使用して、前記電動モータを制御するための制御値を出力する指令電圧制御部とを有する。

この構成によれば、停車時又は極低車速時であり、操舵部材を操舵する操舵速度が所定の閾値より大きな場合に、前記電動モータを制御するための制御値に制限を加えることができる。したがって、いわゆる据え切り時や極低車速状態において、自然な操舵フィーリングを得ることができると共に、電動モータに過大な電力が消費されることを防止でき、省エネを図ることができる。

前記電動モータは例えばパルス幅変調方式で制御されるモータである場合は、前記電動モータを制御するための制御値はパルス幅変調するために使用される電圧値であってもよい。この電圧値が高いほど、パルス幅が増大するので、電動モータに過大な電流が流れるので、この電圧値に制限を設けることにより、電動モータに流れる電流を制限することができる。

前記電動モータはブラシレスモータ、ブラシ付きモータのいずれであっても良い。
前記所定の閾値は、例えば３６０度／秒である。このような速い速度で操舵する場合、電動モータに過大な電力が消費されないように制限を設ける意味があるからである。
本発明はステアバイワイヤシステム（ＳＢＷ）のみならず、操舵補助電動モータを使用して適切な操舵補助制御を行う電動パワーステアリングシステム、又はアクティブ・フロントステアリングシステム（ＡＦＳ）の採用車両においても有効に応用することができる。

ステアバイワイヤシステムに適用した車両用操舵装置１の全体を示す構成図である。 ドライバが操舵部材２を急操舵したときに電源２３から取り出す電力を制限する、本発明の制御を行うＥＣＵ１５の各部の機能を示す機能ブロック図である。 制限値設定部３８で行われる、指令電圧制御部３３に電圧制限情報を提供するための制御手順を示すフローチャートである。 停車時に−７２０度から＋７２０度まで操舵部材を回転させたときにおける、操舵角と操舵補助電動モータの駆動電流との関係を、操舵速度別に測定したグラフである。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。
図１は、車両用操舵装置１の全体を示す構成図である。車両用操舵装置１は、操舵部材２が連結されたシャフト３と、シャフト３に設置され操舵部材２の操舵角θhを検出する操舵角センサ４と、操舵部材２の操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ１０と、ギヤ６を介して操舵部材２に操舵反力を付与する反力モータ７とを備えている。操舵トルクセンサ１０は、シャフト３の中間に介装されたトーションバーの捩れ角を検出することにより操舵トルクＴｈを検出する。操舵角センサ４はシャフト３の外周に取り付けられた多極磁石の磁気をホールセンサで検出することによりシャフト３の回転角を検出する。この実施形態では、操舵角センサ４は操舵部材２の中立位置から操舵部材２の正逆両方向への回転角を検出するものであり、中立位置から右方向への回転角を正の値として出力し、中立位置から左方向への回転角を負の値として出力するものとする。反力モータ７はシャフト３と別軸に設置され、ギヤ６によって決まる所定のギヤ比でシャフト３を回転駆動する直流モータである。なお反力モータ７はシャフト３と別軸でなく、シャフト３と同軸（コラム同軸）に配置されていても良い。

本明細書では操舵部材２からギヤ６までのシャフト３を中心とした構成を「コラム機構」といい、ラック軸力を発生させ、発生したラック軸力に基づいてナックルアームを回動させ転舵輪を操向させる機構を「ステアリングギア機構」という。
ステアリングギア機構は、車両の左右方向に延びる転舵軸としてのラック軸１７と、車体に保持され、ラック軸１７を移動可能に支持するラック支持体１１と、ラック軸１７に噛み合うピニオン１６と、ウォームギア１２を介してピニオン１６を回転駆動する転舵電動モータ１４とを備えている。

転舵電動モータ１４の回転運動は、ピニオン１６を介してラック支持体１１に内蔵されているラック軸１７の平行運動に変換され、ラック軸１７の一対の端部にそれぞれ連結されたタイロッド１８Ｌ，１８Ｒを介してタイヤ４Ｌ，４Ｒに伝達され、これによりタイヤ４Ｌ，４Ｒが転舵される。
ラック軸１７のいずれかの端部には、ラック軸変位センサ２２が設けられている。このセンサの方式は限定されないが、ラック軸に目盛りを設けてその目盛りの値を光学的に読み取る光学式の変位センサであってもよい。ラック軸変位センサ２２は、ラック軸１７の変位位置とタイヤ４Ｌ，４Ｒの転舵角とが対応することを利用して、タイヤ４Ｌ，４Ｒの転舵位置（本明細書では「転舵角」という）を検出する転舵角センサとして機能する。

なお、転舵電動モータ１４は図１ではラック支持体１１に外付けされているが、転舵電動モータ１４は、ラック支持体１１の中に内蔵され、モータ出力シャフトの回転運動をラック軸１７の直線運動に変換するボールねじ機構等の運動変換機構を有するラック同軸型のモータであってもよい。
さらに車両用操舵装置１には、コンピュータを内蔵するＥＣＵ（電子制御ユニット）１５が設けられている。ＥＣＵ１５は電源２３に接続されて、電源２３から、ドライバ回路３５を駆動する電力等の供給を受ける。

ＥＣＵ１５は、操舵角センサ４によって検出された操舵角θｈと、操舵トルクセンサ１０によって検出された操舵トルクＴｈと、車内ＬＡＮ（ＣＡＮ）を介して取得される車速ｖと、ラック軸変位センサ２２によって検出されたラック軸の変位量とをデータとして入力している。
ＥＣＵ１５は、電源２３から電力が供給され、この電力を用いて操舵部材１に反力を与えるように反力モータ７を駆動制御するとともに、転舵電動モータ１４を駆動制御して、ラック軸１７の一対の端部にそれぞれ連結されたタイロッド１８Ｌ，１８Ｒを介して、タイヤ４Ｌ，４Ｒを転舵させる。以下、電源２３の電圧値を“Ｖ０”と表記する。

なお、ＥＣＵ１５は、反力モータ７の駆動制御を行う反力系ＥＣＵ部と、転舵電動モータ１４の駆動制御を行う転舵系ＥＣＵ部に関して、反力系ＥＣＵと転舵系ＥＣＵとが別の回路になって、これらが車内ＬＡＮ（ＣＡＮ）によって互いにデータ通信・処理可能に接続されていてもよい。
図２は、ドライバが操舵部材２を急操舵したときに電源２３から取り出す電力を制限するための制御を行うＥＣＵ１５の各部の機能を示す機能ブロック図である。

操舵角センサ４によって検出された操舵角θｈはＰＩ制御を行う角度制御部３１に入力される。一方、ラック軸変位センサ２２によって検出されたタイヤ４Ｌ，４Ｒの転舵角（ラック軸の変位量を角度に換算したもの）が角度制御部３１に入力され、角度制御部３１において、両方の角度差に基づき、タイヤ４Ｌ，４Ｒの転舵角が操舵角θｈに収束するようにＰＩ制御が行われる。

角度制御部３１は、転舵電動モータ１４を回転駆動するための目標電流値Ｉ*を電流制御部３２に供給する。一方、電流センサ３６によって検出された転舵電動モータ１４に流れる駆動電流値Ｉが減算器３９を通して電流制御部３２にフィードバック入力され、電流制御部３２において両者の差に基づいたＰＩ制御が行われる。電流センサ３６は、図示のようにリング状の磁性体を電線に通して、電流に比例して発生する電圧を検出するタイプの物でも良いし、電線に抵抗器を挿入して抵抗器の両端に発生する電圧を検出するタイプの物でもよい。

電流制御部３２から出力される駆動電流の指令電圧値Ｖ１と制限値設定部３８（後述）から出力される指令電圧制御部３３
電流制御部３２から出力される駆動電流の指令電圧値Ｖ１は、後に説明するように、指令電圧制御部３３に入力される。さらに指令電圧制御部３３には、後述する制限値設定部３８から最大電圧Ｖmaxが入力され、指令電圧制御部３３において最大電圧Ｖmaxによって電圧制限がかけられる。電圧制限のかかった指令電圧値Ｖは、ＰＷＭ回路３４に供給され、ここにおいてパルス幅変調された矩形波のＰＷＭ信号に変換されてドライバ回路３５に入力される。ドライバ回路３５は、ＰＷＭ信号に基づいて駆動電流を生成し、転舵電動モータ１４を回転駆動する。

本発明の実施の形態によれば、ドライバが操舵部材２を急操舵したときに電源２３から取り出す電力を制限するため、指令電圧制御部３３において、駆動電流の指令電圧値Ｖ１に電圧制限をかける。そのため、指令電圧制御部３３に電圧制限情報を提供する制限値設定部３８が設けられている。
制限値設定部３８には、図２に示すように、操舵トルクセンサ１０によって検出された操舵トルクＴｈと、車内ＬＡＮ（ＣＡＮ）を介して取得された車速ｖとが入力されるとともに、操舵部材２の急操舵を判断するために、操舵角センサ４によって検出された操舵角θｈが微分回路３７によって操舵速度ｄ（θｈ）／ｄｔ（以下「θｈ′」と表記）に変換されて、入力される。

以下、制限値設定部３８で行われる、指令電圧制御部３３に電圧制限情報を提供するための制御手順を、フローチャート（図３）を用いて説明する。まず制限値設定部３８は、停車時又は車庫入れ等のための極低車速時を判定するために、車速ｖを閾値ｖ０と比較し、停車時又は極低車速時であることを確認する（ステップＳ１）。次に、操舵トルクセンサ１０によって検出された操舵トルクＴｈが、閾値Ｔ１以上であるかどうかを判定する（ステップＳ２）。この処理は、操舵トルクＴｈが閾値Ｔ１より小さければ、ドライバ回路３５から転舵電動モータ１４に流される消費電流が小さいので、消費電流を低減するための制御が不要であることを判定するために行う。したがって閾値Ｔ１は、ドライバ回路３５から転舵電動モータ１４に流される消費電流を低減する必要があるかどうかの観点から、決定される。

ステップＳ２でYESの判定であれば、ドライバが操舵部材を大きな角度で回転させる据え切り操舵をしていると判定する（ステップＳ３）。
次に操舵速度θｈ′の絶対値を閾値ｓ（ｓ＞０）と比較する（ステップＳ４）。閾値ｓは、操舵速度θｈ′が閾値ｓより小さければ、ドライバ回路３５から転舵電動モータ１４に流される消費電流が小さいので、消費電流を低減するための制御が不要であることを判定するために設定される。すなわち閾値ｓは、ドライバ回路３５から転舵電動モータ１４に流される消費電流を低減する必要があるかどうかの観点から決定される。閾値ｓとしては、操舵部材２の回転速度毎秒３６０度という値が例示される。

操舵速度θｈ′の絶対値が閾値ｓ未満であれば、ステップＳ６に進み、消費電流を低減するために制限電圧Ｖmaxとして、電源２３の電圧値Ｖ０を規定値として設定する。
操舵速度θｈ′の絶対値が閾値ｓ以上であれば、据え切り時の消費電流を低減するために、制限電圧Ｖmaxとして、規定値Ｖ０よりも小さな値を設定する。本実施の形態では、“Ｖ０／ｎ”と表記する、ここで“ｎ”は「遅れ調整パラメータ」といい、１を超える実数である。例えばｎ＝２と設定してあれば、制限電圧Ｖmaxは、規定値Ｖ０の半分のＶ０／２という値になる。

このようにして、操舵速度θｈ′の絶対値が閾値ｓより大きな場合に、制限電圧Ｖmaxとして、通常設定される値Ｖ０よりも小さな値を設定し、指令電圧制御部３３に提供することができる。この結果、指令電圧制御部３３は、提供された電圧Ｖmaxを用いて電圧制限のかかった指令電圧値ＶをＰＷＭ回路３４に出力することができる。ＰＷＭ回路３４では、パルス幅変調されたＰＷＭ信号を生成するときに、電圧Ｖmaxを用いてデューティ比に制限をかけるので、ドライバ回路３５は、ＰＷＭ信号に基づいて駆動電流を生成するとき、急激に大きな駆動電流が発生するのを防止することができる。

したがって、据え切り時に急操舵したときに、電源２３の電流消費を抑えることができるとともに、最適な操舵速度で転舵輪を操向することができる。
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではない。今まで説明した実施の形態では、操舵する側のステアリングコラム機構と操舵される側のステアリングギア機構とを機械的に切り離されたステアバイワイヤシステム（ＳＢＷ）について説明してきたが、転舵電動モータ１４に流される電流に制限を設ける本発明は、ステアリングホイール（操舵部材）に加えられる操舵トルク等に基づいて、操舵補助する電動パワーステアリングシステムにも適用が可能である。この場合、据え切り時で操舵速度が早い場合に、操舵補助電動モータに流される電流に制限を設けるようにすればよい。また、アクティブ・フロントステアリングシステム（ＡＦＳ）のギア比可変機構に設置された電動モータに流される電流に制限を設けることにより、本発明を適用することも可能である。その他、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。

１…車両用操舵装置、２…操舵部材、１４…転舵電動モータ、３３…指令電圧制御部、３８…制限値設定部

Claims (3)

1. 車輪を転舵させるための電動モータを搭載した車両用操舵装置において、
   車両が停車時又は極低車速時であるかどうかを判定し、停車時又は極低車速時であることが判定された場合に、操舵部材を操舵する操舵速度が所定の閾値より大きなことを条件として、前記電動モータで消費される電力に制限を加えるための制限値を出力する制限値設定部と、
   前記制限値設定部から供給された制限値を使用して、前記電動モータを制御するための制御値を出力する指令電圧制御部とを有することを特徴とする車両用操舵装置。
2. 前記電動モータはパルス幅変調方式で制御されるモータであり、前記電動モータを制御するための制御値はパルス幅変調するために使用される電圧値である、請求項１に記載の車両用操舵装置。
3. 前記所定の閾値は、操舵部材の操舵速度３６０度／秒である、請求項１又は請求項２に記載の車両用操舵装置。

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