JP2017087772A - 車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】転舵輪の転舵角が転舵角限界値に到達しているときに、操舵部材が回転するのを抑制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に連結される入力軸と、入力軸に一端が連結されるトーションバーと、トーションバーの他端に連結される出力軸と、出力軸に連結され、操舵部材に反力を与えるための反力モータ１９と、反力モータを制御する反力モータ制御部７０とを含む。反力モータ制御部７０は、転舵輪の転舵角が転舵角限界値に到達しており、かつ転舵角限界値への到達時点の操舵トルクよりもステアリングホイールに大きな操舵トルクが加えられているときには、転舵角限界値に対応する出力軸の回転角に対して、トルクセンサ１６によって検出される操舵トルクに応じた回転角だけ、出力軸の中立位置側に近い位置に、出力軸の目標回転角を設定する目標回転角設定手段７１を含む。
【選択図】図５

Description

この発明は、操向のために操作される操舵部材と転舵機構とが機械的に結合されていない状態で、転舵モータによって転舵機構が駆動される車両用操舵装置に関する。

操舵部材としてのステアリングホイールと転舵機構（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に応じて制御される転舵モータの駆動力を転舵機構に伝達するステア・バイ・ワイヤシステムが提案されている。このようなステア・バイ・ワイヤシステムは、ステアリングホイールに反力を与えるための反力モータを備えている。ステアリングホイールに入力軸が連結され、反力モータに出力軸が連結されている。入力軸と出力軸とは、トーションバーによって相対回転可能に連結されている。

特開２００６−２４０３９９号公報

前述したステア・バイ・ワイヤシステムにおいて、出力軸の回転角の目標値である目標回転角を設定し、出力軸の回転角が目標回転角と等しくなるように、反力モータを制御することが考えられる。そして、転舵輪の転舵角が転舵角限界値に到達したときに、出力軸の目標回転角を一時的に固定することによって、ステアリングホイールがそれ以上回転しないように反力モータを制御することが考えられる。しかしながら、出力軸の目標回転角を一時的に固定したとしても、操舵トルクによってトーションバーが捩れるため、ステアリングホイールが回転してしまう。

この発明の目的は、転舵輪の転舵角が転舵角限界値に到達しているときに、操舵部材が回転するのを抑制できる車両用操舵装置を提供することである。

請求項１に記載の発明は、操向のために操作される操舵部材（２）と転舵輪（５）を転舵するための転舵機構（６）とが機械的に結合されていない状態で、転舵モータ（３）によって前記転舵機構が駆動される車両用操舵装置（１）であって、操舵部材に連結される入力軸（１１）と、前記入力軸に一端が連結されるトーションバー（１３）と、前記トーションバーの他端に連結される出力軸（１２）と、前記出力軸に連結され、前記操舵部材に反力を与えるための反力モータ（１９）と、前記操舵部材に加えられる操舵トルクを検出するトルク検出手段（１６）と、前記出力軸の目標回転角を設定し、前記出力軸の回転角が前記目標回転角と等しくなるように、前記反力モータを制御する反力モータ制御手段（７０）とを含み、前記反力モータ制御手段は、前記転舵輪の転舵角が転舵角限界値に到達しており、かつ前記転舵角限界値への到達時点の操舵トルクよりも前記操舵部材に大きな操舵トルクが加えられているときには、前記転舵角限界値に対応する前記出力軸の回転角に対して、前記トルク検出手段によって検出される操舵トルクに応じた回転角だけ、前記出力軸の中立位置側に近い位置に、前記出力軸の目標回転角を設定する目標回転角設定手段（７１）を含んでいる、車両用操舵装置である。なお、括弧内の英数字は後述の実施形態における対応構成要素等を表すが、むろん、この発明の範囲は当該実施形態に限定されない。以下、この項において同じ。

転舵角が転舵角限界値に到達した後において、転舵角限界値への到達時点の操舵トルクよりも操舵部材に大きな操舵トルクが加えられると、操舵部材は、出力軸に対して操舵トルクに応じたトーションバーの捩れ角分だけ、出力軸の中立位置側とは反対方向に回転しようとする。この発明では、転舵角限界値に対応する出力軸の回転角に対して、操舵トルクに応じた回転角だけ、出力軸の中立位置側に近い位置に、出力軸の目標回転角が設定される。これにより、出力軸は、操舵トルクに応じた回転角だけ、出力軸の中立位置側に近い位置まで回転しようとする。この結果、操舵部材が回転するのを抑制できる。

請求項２に記載の発明は、前記転舵輪の転舵角を検出する転舵角検出手段（１７）と、前記出力軸の回転角を検出するための回転角検出手段（２２，８２，８３）とをさらに含み、前記目標回転角設定手段は、前記転舵角検出手段によって検出される転舵角が前記転舵角限界値に達したときに、前記回転角検出手段によって検出される前記出力軸の回転角および前記トルク検出手段によって検出される操舵トルクを、それぞれ第１回転角および第１操舵トルクとして記憶する第１手段と、前記転舵角検出手段によって検出される転舵角が転舵角限界値に達してから、前記回転角検出手段によって検出される前記出力軸の回転角が前記第１回転角以上である状態が継続しているときは、前記トルク検出手段によって検出される操舵トルクと前記第１操舵トルクとの差に応じた回転角だけ、前記第１回転角から中立位置側に近い位置に、前記出力軸の目標回転角を設定する第２手段とを含む、請求項１に記載の車両用操舵装置である。

請求項３に記載の発明は、前記転舵輪の目標転舵角を設定し、前記転舵輪の転舵角が前記目標転舵角と等しくなるように、前記転舵モータを制御する転舵モータ制御手段（４０）をさらに含み、前記第２手段は、前記転舵角検出手段によって検出される転舵角が転舵角限界値に達してから、前記回転角検出手段によって検出される前記出力軸の回転角が前記第１回転角以上である状態が継続しているときは、前記目標転舵角を固定させる手段（７１）を含んでいる、請求項２に記載の車両用操舵装置である。

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る。 図２は、ＥＣＵの電気的構成を示すブロック図である。 図３は、転舵モータの構成を説明するための図解図である。 図４は、転舵モータ制御部の構成例を示すブロック図である。 図５は、反力モータ制御部の構成例を示すブロック図である。 図６は、反力側目標操舵角設定部の動作を説明するためのフローチャートである。

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１は、運転者が操向のために操作する操舵部材としてのステアリングホイール２と、ステアリングホイール２の回転操作に応じて駆動される転舵モータ３と、転舵モータ３の駆動力を、転舵輪としての前方左右車輪５に伝達するステアリングギヤ４とを備えている。ステアリングホイール２と、転舵モータ３等を含む転舵機構６との間には、ステアリングホイール２に加えられた操作トルクが転舵機構６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２の操作量（操舵角または操舵トルク）に応じて転舵モータ３が駆動制御されることによって、転舵輪５が転舵されるようになっている。

転舵モータ３は、ブラシレスモータ等の電動モータにより構成されている。この実施形態では、転舵モータ３は、ブラシレスモータによって構成されている。転舵モータ３には、転舵モータ３のロータの回転角を検出するためのレゾルバ等の回転角センサ２１が設けられている。
ステアリングギヤ４は、転舵モータ３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を介して転舵輪５に伝達され、転舵輪５のトー角（転舵角）が変化する。つまり、転舵機構６は、転舵モータ３、ステアリングギヤ４、ステアリングロッド７、タイロッド８およびナックルアーム９から構成されている。ステアリングギヤ４は、公知のものを用いることができ、転舵モータ３の動きを転舵角が変化するように転舵輪５に伝達できれば構成は限定されない。

この実施形態では、転舵モータ３が正転方向に回転されると、右方向に車両を換向させる方向（右転舵方向）に転舵輪５の転舵角が変化し、転舵モータ３が逆転方向に回転されると、左方向に車両を換向させる方向（左転舵方向）に転舵輪５の転舵角が変化するものとする。
ステアリングホイール２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２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。

回転シャフト１０は、ステアリングホイール２に連結された入力軸１１と、反力モータ１９に減速機２０を介して連結された出力軸１２と、入力軸１１と出力軸１２とを連結するトーションバー１３とを含む。反力モータ１９は、ブラシレスモータ等の電動モータにより構成されている。この実施形態では、反力モータ１９は、ブラシレスモータによって構成されている。反力モータ１９には、反力モータ１９のロータの回転角（ロータ角）を検出するためのレゾルバ等の回転角センサ２２が設けられている。

回転シャフト１０の周囲には、運転者によってステアリングホイール２に付与される操舵トルクＴｈを検出するためのトルクセンサ１６が設けられている。この実施形態では、トルクセンサ１６によって検出される操舵トルクＴは、右方向への操舵のためのトルクが正の値として検出され、左方向への操舵のためのトルクが負の値として検出され、その絶対値が大きいほど操舵トルクの大きさが大きくなるものとする。

ステアリングギヤ４の近傍には、転舵輪５の転舵角δを検出するための転舵角センサ１７が備えられている。転舵角センサ１７は、例えば、転舵角δ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。
車両には、さらに、車速Ｖを検出するための車速センサ１４、ヨーレートＹｒを検出するためのヨーレートセンサ１５等が設けられている。

トルクセンサ１６、転舵角センサ１７、車速センサ１４、ヨーレートセンサ１５および回転角センサ２１，２２は、電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）３０にそれぞれ接続されている。ＥＣＵ３０は、転舵モータ３および反力モータ１９を制御する。
図２は、ＥＣＵ３０の電気的構成を示すブロック図である。

ＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータ３１と、マイクロコンピュータ３１によって制御され、転舵モータ３に電力を供給する駆動回路（インバータ回路）３２と、転舵モータ３に流れるモータ電流を検出する電流検出部３３と、マイクロコンピュータ３１によって制御され、反力モータ１９に電力を供給する駆動回路（インバータ回路）３４と、反力モータ１９に流れるモータ電流を検出する電流検出部３５とを備えている。

マイクロコンピュータ３１は、ＣＰＵおよびメモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性メモリなど）を備えており、所定のプログラムを実行することによって、複数の機能処理部として機能するようになっている。この複数の機能処理部には、転舵モータ３を制御するための転舵モータ制御部４０と、反力モータ１９を制御するための反力モータ制御部７０とが含まれる。

転舵モータ制御部４０は、反力モータ制御部７０から与えられる出力軸角θｈ、車速センサ１４によって検出される車速Ｖ、トルクセンサ１６によって検出される操舵トルクＴｈ、ヨーレートセンサ１５によって検出されるヨーレートＹｒ、転舵角センサ１７によって検出される転舵角δ、回転角センサ２１の出力信号および電流検出部３３によって検出される電流に基づいて、駆動回路３２を制御する。出力軸角θｈは、出力軸１２の回転角である。これにより、転舵モータ制御部４０は、操舵状態に応じた転舵制御を実現する。

反力モータ制御部７０は、転舵モータ制御部４０から与えられる転舵側目標操舵角θｈｔ^＊、転舵角センサ１７によって検出される転舵角δ、回転角センサ２２の出力信号および電流検出部３５によって検出される電流に基づいて、駆動回路３４を制御する。これにより、反力モータ制御部７０は、操舵状態に応じた反力制御を実現する。
転舵モータ３は、例えば三相ブラシレスモータであり、図３に図解的に示すように、界磁としてのロータ１００と、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のステータ巻線１０１，１０２，１０３を含むステータ１０５とを備えている。転舵モータ３は、ロータの外部にステータを対向配置したインナーロータ型のものであってもよいし、筒状のロータの内部にステータを対向配置したアウターロータ型のものであってもよい。

各相のステータ巻線１０１，１０２，１０３の方向にＵ軸、Ｖ軸およびＷ軸をとった三相固定座標（ＵＶＷ座標系）が定義される。また、ロータ１００の磁極方向にｄ軸（磁極軸）をとり、ロータ１００の回転平面内においてｄ軸と直角な方向にｑ軸（トルク軸）をとった二相回転座標系（ｄｑ座標系。実回転座標系）が定義される。ｄｑ座標系は、ロータ１００とともに回転する回転座標系である。ｄｑ座標系では、ｑ軸電流のみがロータ１００のトルク発生に寄与するので、ｄ軸電流を零とし、ｑ軸電流を所望のトルクに応じて制御すればよい。ロータ１００の回転角（ロータ角（電気角））θ_-Ｓは、Ｕ軸に対するｄ軸の回転角である。ｄｑ座標系は、ロータ角θ_-Ｓに従う実回転座標系である。このロータ角θ_-Ｓを用いることによって、ＵＶＷ座標系とｄｑ座標系との間での座標変換を行うことができる。

反力モータ１９は、例えば三相ブラシレスモータからなり、転舵モータ３と同様な構造を有している。
図４は、転舵モータ制御部４０の構成例を示すブロック図である。
転舵モータ制御部４０は、角速度演算部４１と、転舵側目標操舵角設定部４２と、目標転舵角設定部４３と、角度偏差演算部４４と、ＰＩ（比例積分）制御部４５と、角速度偏差演算部４６と、ＰＩ制御部４７と、電流偏差演算部４８と、ＰＩ制御部４９と、ｄｑ／ＵＶＷ変換部５０と、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御部５１と、ＵＶＷ／ｄｑ変換部５２と、回転角演算部５３とを含む。

転舵側目標操舵角設定部４２は、反力モータ制御部７０内の出力軸角演算部８３（図５参照）によって演算される出力軸角θｈ（出力軸１２の回転角）、車速センサ１４によって検出される車速Ｖ、トルクセンサ１６によって検出される操舵トルクＴｈおよびヨーレートセンサ１５によって検出されるヨーレートＹｒに基づいて、ステアリングホイール２の回転角（操舵角）の目標値である転舵側目標操舵角θｈｔ^＊を演算する。つまり、目標操舵角演算部４２は、操舵状態を表す検出値（操舵状態検出値）に基いて、転舵側目標操舵角θｈｔ^＊を設定する。

目標転舵角設定部４３は、転舵側目標操舵角設定部４２によって設定される転舵側目標操舵角θｈｔ^＊に基づいて、転舵角の目標値である目標転舵角δ^＊を設定する。目標転舵角設定部４３によって設定される目標転舵角δ^＊は、角度偏差演算部４４に与えられる。
角度偏差演算部４４は、目標転舵角設定部４３によって設定される目標転舵角δ^＊と、転舵角センサ１７によって検出される転舵角δとの偏差Δδ（＝δ^＊−δ）を演算する。

ＰＩ制御部４５は、角度偏差演算部４４によって演算される角度偏差Δδに対するＰＩ演算を行なうことにより、転舵角速度の目標値である目標転舵角速度ωｔ^＊を演算する。ＰＩ制御部４５によって演算される目標転舵角速度ωｔ^＊は、角速度偏差演算部４６に与えられる。
角速度演算部４１は、転舵角センサ１７によって検出される転舵角δを時間微分することによって、転舵角δの角速度（転舵角速度）ωｔを演算する。角速度演算部４１によって演算される転舵角速度ωｔは、角速度偏差演算部４６に与えられる。

角速度偏差演算部４６は、ＰＩ制御部４５によって演算される目標転舵角速度ωｔ^＊と、角速度演算部４１によって演算される転舵角速度ωｔとの偏差Δωｔ（＝ωｔ^＊−ωｔ）を演算する。
ＰＩ制御部４７は、角速度偏差演算部４６によって演算される角速度偏差Δωｔに対するＰＩ演算を行なうことにより、ｄｑ座標系の座標軸に流すべき電流の目標値である目標電流を演算する。具体的には、ＰＩ制御部４７は、目標ｄ軸電流Ｉ_ｄ ^＊および目標ｑ軸電流Ｉ_ｑ ^＊（以下、これらを総称するときには「目標二相電流Ｉ_ｄｑ ^＊」という。）を演算する。さらに具体的には、ＰＩ制御部４７は、目標ｑ軸電流Ｉ_ｑ ^＊を有意値として演算する一方で、目標ｄ軸電流Ｉ_ｄ ^＊を零とする。ＰＩ制御部４７によって演算される目標二相電流Ｉ_ｄｑ ^＊は、電流偏差演算部４８に与えられる。

回転角演算部５３は、回転角センサ２１の出力信号に基づいて、転舵モータ３のロータの回転角（電気角。以下、「ロータ角θ_Ｓ」という。）を演算する。
電流検出部３３は、転舵モータ３のＵ相電流Ｉ_Ｕ、Ｖ相電流Ｉ_ＶおよびＷ相電流Ｉ_Ｗ（以下、これらを総称するときは、「三相検出電流Ｉ_ＵＶＷ」という。）を検出する。電流検出部３３によって検出された三相検出電流Ｉ_ＵＶＷは、ＵＶＷ／ｄｑ変換部５２に与えられる。

ＵＶＷ／ｄｑ変換部５２は、電流検出部３３によって検出されるＵＶＷ座標系の三相検出電流Ｉ_ＵＶＷ（Ｕ相電流Ｉ_Ｕ、Ｖ相電流Ｉ_ＶおよびＷ相電流Ｉ_Ｗ）を、ｄｑ座標系の二相検出電流Ｉ_ｄおよびＩ_ｑ（以下総称するときには「二相検出電流Ｉ_ｄｑ」という。）に変換する。これらが電流偏差演算部４８に与えられる。ＵＶＷ／ｄｑ変換部５２における座標変換には、回転角演算部５３によって演算されたロータ角θ_Ｓが用いられる。

電流偏差演算部４８は、ＰＩ制御部４７によって演算される目標二相電流Ｉ_ｄｑ ^＊と、ＵＶＷ／ｄｑ変換部５２から与えられる二相検出電流Ｉ_ｄｑとの偏差を演算する。より具体的には、電流偏差演算部４８は、目標ｄ軸電流Ｉ_ｄ ^＊に対するｄ軸検出電流Ｉ_ｄの偏差および目標ｑ軸電流Ｉ_ｑ ^＊に対するｑ軸検出電流Ｉ_ｑの偏差を演算する。これらの偏差は、ＰＩ制御部４９に与えられる。

ＰＩ制御部４９は、電流偏差演算部４８によって演算される電流偏差に対するＰＩ演算を行なうことにより、転舵モータ３に印加すべき目標二相電圧Ｖ_ｄｑ ^＊（目標ｄ軸電圧Ｖ_ｄ ^＊および目標ｑ軸電圧Ｖ_ｑ ^＊）を生成する。この目標二相電圧Ｖ_ｄｑ ^＊は、ｄｑ／ＵＶＷ変換部５０に与えられる。
ｄｑ／ＵＶＷ変換部５０は、目標二相電圧Ｖ_ｄｑ ^＊を目標三相電圧Ｖ_ＵＶＷ ^＊に変換する。この座標変換には、回転角演算部５３によって演算されたロータ角θ_Ｓが用いられる。目標三相電圧Ｖ_ＵＶＷ ^＊は、目標Ｕ相電圧Ｖ_Ｕ ^＊、目標Ｖ相電圧Ｖ_Ｖ ^＊および目標Ｗ相電圧Ｖ_Ｗ ^＊からなる。この目標三相電圧Ｖ_ＵＶＷ ^＊は、ＰＷＭ制御部５１に与えられる。

ＰＷＭ制御部５１は、目標Ｕ相電圧Ｖ_Ｕ ^＊、目標Ｖ相電圧Ｖ_Ｖ ^＊および目標Ｗ相電圧Ｖ_Ｗ ^＊にそれぞれ対応するデューティのＵ相ＰＷＭ制御信号、Ｖ相ＰＷＭ制御信号およびＷ相ＰＷＭ制御信号を生成し、駆動回路３２に供給する。
駆動回路３２は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相に対応した三相インバータ回路からなる。このインバータ回路を構成するパワー素子がＰＷＭ制御部５１から与えられるＰＷＭ制御信号によって制御されることにより、目標三相電圧Ｖ_ＵＶＷ ^＊に相当する電圧が転舵モータ３の各相のステータ巻線１０１，１０２，１０３に印加される。

角度偏差演算部４４およびＰＩ制御部４５は、角度フィードバック制御手段を構成している。この角度フィードバック制御手段の働きによって、転舵輪５の転舵角δが、目標転舵角設定部４３によって設定される目標転舵角δ^＊に近づくように制御される。また、角速度偏差演算部４６およびＰＩ制御部４７は、角速度フィードバック制御手段を構成している。この角速度フィードバック制御手段の働きによって、転舵角速度ωｔが、ＰＩ制御部４５によって演算される目標転舵角速度ωｔ^＊に近づくように制御される。また、電流偏差演算部４８およびＰＩ制御部４９は、電流フィードバック制御手段を構成している。この電流フィードバック制御手段の働きによって、転舵モータ３に流れるモータ電流が、ＰＩ制御部４７によって演算される目標二相電流Ｉ_ｄｑ ^＊に近づくように制御される。

図５は、反力モータ制御部７０の構成例を示すブロック図である。
反力モータ制御部７０は、反力側目標操舵角設定部（目標回転角設定手段）７１と、角度偏差演算部７２と、ＰＩ制御部７３と、角速度偏差演算部７５と、ＰＩ制御部７６と、電流偏差演算部７７と、ＰＩ制御部７８と、ｄｑ／ＵＶＷ変換部７９と、ＰＷＭ制御部８０と、ＵＶＷ／ｄｑ変換部８１と、回転角演算部８２と、出力軸角演算部（回転角検出手段）８３と、角速度演算部８４とを含む。

反力側目標操舵角設定部７１は、転舵モータ制御部４０内の転舵側目標操舵角設定部４２によって設定される転舵側目標操舵角θｈｔ^＊と、トルクセンサ１６によって検出される操舵トルクＴｈと、転舵角センサ１７によって検出される転舵角δとに基づいて、出力軸１２の回転角の目標値である反力側目標操舵角θｈｒ^＊を設定する。反力側目標操舵角設定部７１は、通常時は、転舵側目標操舵角設定部４２によって設定される転舵側目標操舵角θｈｔ^＊を反力側目標操舵角θｈｒ^＊として設定する。反力側目標操舵角設定部７１の動作の詳細については、後述する。

回転角演算部８２は、回転角センサ２２の出力信号に基づいて、反力モータ１９のロータの電気角θ_Ｒおよび機械角θ_Ｍを演算する。出力軸角演算部８３は、反力モータ１９のロータの機械角θ_Ｍを減速機２０の減速比で除算することにより、出力軸角θｈを演算する。この実施形態では、出力軸角演算部８３は、出力軸１２の中立位置（基準位置）からの出力軸１２の正逆両方向の回転量（回転角）を演算するものであり、中立位置から右方向への回転量を例えば正の値として出力し、中立位置から左方向への回転量を例えば負の値として出力する。

角度偏差演算部７２は、反力側目標操舵角設定部７１によって設定される反力側目標操舵角θｈｒ^＊と、出力軸角演算部８３によって演算される出力軸角θｈとの偏差Δθｈ（＝θｈｒ^＊−θｈ）を演算する。
ＰＩ制御部７３は、角度偏差演算部７２によって演算される角度偏差Δθｈに対するＰＩ演算を行なうことにより、出力軸角速度の目標値である目標出力軸角速度ωｈ^＊を演算する。ＰＩ制御部７３によって演算される目標出力軸角速度ωｈ^＊は、角速度偏差演算部７５に与えられる。

角速度演算部８４は、出力軸角演算部８３によって演算される出力軸角θｈを時間微分することによって、出力軸角θｈの角速度（出力軸角速度）ωｈを演算する。角速度演算部８４によって演算される出力軸角速度ωｈは、角速度偏差演算部７５に与えられる。
角速度偏差演算部７５は、ＰＩ制御部７３によって演算される目標出力軸角速度ωｈ^＊と、角速度演算部８４によって演算される出力軸角速度ωｈとの偏差Δωｈ（＝ωｈ^＊−ωｈ）を演算する。

ＰＩ制御部７６は、角速度偏差演算部７５によって演算される角速度偏差Δωｈに対するＰＩ演算を行なうことにより、ｄｑ座標系の座標軸に流すべき電流の目標値である目標電流を演算する。具体的には、ＰＩ制御部７６は、目標ｄ軸電流ｉ_ｄ ^＊および目標ｑ軸電流ｉ_ｑ ^＊（以下、これらを総称するときには「目標二相電流ｉ_ｄｑ ^＊」という。）を演算する。さらに具体的には、ＰＩ制御部７６は、目標ｑ軸電流ｉ_ｑ ^＊を有意値として演算する一方で、目標ｄ軸電流ｉ_ｄ ^＊を零とする。ＰＩ制御部７６によって演算される目標二相電流ｉ_ｄｑ ^＊は、電流偏差演算部７７に与えられる。

電流検出部３５は、反力モータ１９のＵ相電流ｉ_Ｕ、Ｖ相電流ｉ_ＶおよびＷ相電流ｉ_Ｗ（以下、これらを総称するときは、「三相検出電流ｉ_ＵＶＷ」という。）を検出する。電流検出部３５によって検出された三相検出電流ｉ_ＵＶＷは、ＵＶＷ／ｄｑ変換部８１に与えられる。
ＵＶＷ／ｄｑ変換部８１は、電流検出部３５によって検出されるＵＶＷ座標系の三相検出電流ｉ_ＵＶＷ（Ｕ相電流ｉ_Ｕ、Ｖ相電流ｉ_ＶおよびＷ相電流ｉ_Ｗ）を、ｄｑ座標系の二相検出電流ｉ_ｄおよびｉ_ｑ（以下総称するときには「二相検出電流ｉ_ｄｑ」という。）に変換する。これらが電流偏差演算部７７に与えられる。ＵＶＷ／ｄｑ変換部８１における座標変換には、回転角演算部８２によって演算された電気角θ_Ｒが用いられる。

電流偏差演算部７７は、ＰＩ制御部７６から出力される目標二相電流ｉ_ｄｑ ^＊と、ＵＶＷ／ｄｑ変換部８１から与えられる二相検出電流ｉ_ｄｑとの偏差を演算する。より具体的には、電流偏差演算部７７は、目標ｄ軸電流ｉ_ｄ ^＊に対するｄ軸検出電流ｉ_ｄの偏差および目標ｑ軸電流ｉ_ｑ ^＊に対するｑ軸検出電流ｉ_ｑの偏差を演算する。これらの偏差は、ＰＩ制御部７８に与えられる。

ＰＩ制御部７８は、電流偏差演算部７７によって演算される電流偏差に対するＰＩ演算を行なうことにより、反力モータ１９に印加すべき目標二相電圧ｖ_ｄｑ ^＊（目標ｄ軸電圧ｖ_ｄ ^＊および目標ｑ軸電圧ｖ_ｑ ^＊）を生成する。この目標二相電圧ｖ_ｄｑ ^＊は、ｄｑ／ＵＶＷ変換部７９に与えられる。
ｄｑ／ＵＶＷ変換部７９は、目標二相電圧ｖ_ｄｑ ^＊を目標三相電圧ｖ_ＵＶＷ ^＊に変換する。この座標変換には、回転角演算部８２によって演算された電気角θ_Ｒが用いられる。目標三相電圧ｖ_ＵＶＷ ^＊は、目標Ｕ相電圧ｖ_Ｕ ^＊、目標Ｖ相電圧ｖ_Ｖ ^＊および目標Ｗ相電圧ｖ_Ｗ ^＊からなる。この目標三相電圧ｖ_ＵＶＷ ^＊は、ＰＷＭ制御部８０に与えられる。

ＰＷＭ制御部８０は、目標Ｕ相電圧ｖ_Ｕ ^＊、目標Ｖ相電圧ｖ_Ｖ ^＊および目標Ｗ相電圧ｖ_Ｗ ^＊にそれぞれ対応するデューティのＵ相ＰＷＭ制御信号、Ｖ相ＰＷＭ制御信号およびＷ相ＰＷＭ制御信号を生成し、駆動回路３４に供給する。
駆動回路３４は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相に対応した三相インバータ回路からなる。このインバータ回路を構成するパワー素子がＰＷＭ制御部８０から与えられるＰＷＭ制御信号によって制御されることにより、目標三相電圧ｖ_ＵＶＷ ^＊に相当する電圧が反力モータ１９の各相のステータ巻線に印加される。

角度偏差演算部７２およびＰＩ制御部７３は、角度フィードバック制御手段を構成している。この角度フィードバック制御手段の働きによって、出力軸角θｈが、反力側目標操舵角設定部７１によって設定される反力側目標操舵角θｈ^＊に近づくように制御される。また、角速度偏差演算部７５およびＰＩ制御部７６は、角速度フィードバック制御手段を構成している。この角速度フィードバック制御手段の働きによって、出力軸角速度ωｈが、ＰＩ制御部７３によって演算される目標出力軸角速度ωｈ^＊に近づくように制御される。また、電流偏差演算部７７およびＰＩ制御部７８は、電流フィードバック制御手段を構成している。この電流フィードバック制御手段の働きによって、反力モータ１９に流れるモータ電流が、ＰＩ制御部７６から出力される目標二相電流Ｉ_ｄｑ ^＊に近づくように制御される。

図６は、反力側目標操舵角設定部７１の動作を説明するためのフローチャートである。
反力側目標操舵角設定部７１は、転舵角センサ１７によって検出される転舵角δを取得する(ステップＳ１)。そして、反力側目標操舵角設定部７１は、転舵角δが転舵角限界値に到達したか否かを判別する(ステップＳ２)。転舵角限界値は、右転舵方向の限界値δＲｅｎｄ（δＲｅｎｄ＞０）と、左転舵方向の限界値δＬｅｎｄ（δＬｅｎｄ＜０）とがある。転舵角δがδＲｅｎｄ以上であるときまたは転舵角δがδＬｅｎｄ以下であるときに反力側目標操舵角設定部７１は転舵角限界値に達したと判別する。

転舵角δが転舵角限界値に到達していない場合には(ステップＳ２：ＮＯ)、反力側目標操舵角設定部７１は、転舵側目標操舵角設定部４２よって設定されている転舵側目標操舵角θｈｔ^＊を取得し、反力側目標操舵角θｈｒ^＊として設定する(ステップＳ３)。この場合には、転舵側目標操舵角θｈｔ^＊がそのまま反力側目標操舵角θｈｒ^＊として、角度偏差演算部７２に与えられる。そして、反力側目標操舵角設定部７１はステップＳ１に戻る。

前記ステップＳ２において、転舵角δが転舵角限界値に到達していると判別された場合には(ステップＳ２：ＹＥＳ)、反力側目標操舵角設定部７１は、ステップＳ４に移行する。ステップＳ４では、反力側目標操舵角設定部７１は、出力軸角演算部８３によって演算されている出力軸角θｈ、トルクセンサ１６によって検出されている操舵トルクＴｈおよび転舵側目標操舵角設定部４２よって設定されている転舵側目標操舵角θｈｔ^＊を取得する。そして、反力側目標操舵角設定部７１は、取得した出力軸角θｈ、操舵トルクＴｈおよび転舵側目標操舵角θｈｔ^＊を、それぞれ、転舵角限界値での出力軸角θｈｅｎｄ、操舵トルクＴｈｅｎｄおよび転舵側目標操舵角θｈｔ^＊ｅｎｄとしてメモリ（図示略）に記憶する。

次に、反力側目標操舵角設定部７１は、次式(1)に基づいて、操舵トルクＴｈに応じたトーションバー１３の捩れ角θｔｂを演算する(ステップＳ５)。
θｔｂ＝（Ｔｈ−Ｔｈｅｎｄ）÷Ｋｔｂ …(1)
前記式(1)において、Ｔｈｅｎｄは、ステップＳ４でメモリに記憶された転舵角限界値での操舵トルクである。また、Ｋｔｂ［Ｎ・ｍｍ／ｄｅｇ］は、トーションバー１３のばね定数である。また、Ｔｈは操舵トルクである。ステップＳ４からステップＳ５に移行した場合には、Ｔｈは、ステップＳ４で取得された操舵トルクＴｈであり、後述するように、ステップＳ９からステップＳ５に移行した場合には、Ｔｈは、ステップＳ８で取得された操舵トルクＴｈである。

次に、反力側目標操舵角設定部７１は、次式(2)に基づいて、反力側目標操舵角θｈｒ^＊を演算する(ステップＳ６)。そして、演算された反力側目標操舵角θｈｒ^＊が角度偏差演算部７２に与えられる。
θｈｒ^＊＝θｈｅｎｄ−θｔｂ …(2)
前記式(1)において、θｈｅｎｄはステップＳ４でメモリに記憶された転舵角限界値での出力軸角である。

次に、反力側目標操舵角設定部７１は、転舵側目標操舵角θｈｔ^＊がステップＳ４でメモリに記憶された転舵角限界値での転舵側目標操舵角θｈｔｅｎｄ^＊に固定されるように、転舵側目標操舵角演算部４２を制御する(ステップＳ７)。
この後、反力側目標操舵角設定部７１は、出力軸角演算部８３によって演算されている出力軸角θｈおよびトルクセンサ１６によって検出されている操舵トルクＴｈを取得する(ステップＳ８)。

そして、反力側目標操舵角設定部７１は、出力軸角θｈの絶対値｜θｈ｜が、ステップＳ４でメモリに記憶された転舵角限界値での出力軸角θｈｅｎｄの絶対値｜θｈｅｎｄ｜よりも小さいか否かを判別する(ステップＳ９)。｜θｈ｜が｜θｈｅｎｄ｜以上である場合には(ステップＳ９でＮＯ)、反力側目標操舵角設定部７１は、転舵角が転舵角限界値に達している状態が維持されていると判別し、ステップＳ５に戻る。これにより、ステップＳ５〜Ｓ９の処理が再度実行される。

前記ステップＳ９において、｜θｈ｜が｜θｈｅｎｄ｜よりも小さいと判別された場合には(ステップＳ９でＹＥＳ)、反力側目標操舵角設定部７１は、転舵角が転舵角限界値に達している状態が解除されたと判別し、ステップＳ１０に移行する。ステップＳ１０では、反力側目標操舵角設定部７１は、転舵側目標操舵角θｈｔ^＊を転舵角限界値での転舵側目標操舵角θｈｔｅｎｄ^＊に固定させるための制御を解除する。そして、反力側目標操舵角設定部７１は、ステップＳ１に戻る。

前述の実施形態では、転舵角δが転舵角限界値に到達すると、反力側目標操舵角設定部７１は、出力軸角θｈ、操舵トルクＴｈおよび転舵側目標操舵角θｈｔ^＊を取得する。そして、反力側目標操舵角設定部７１は、取得した出力軸角θｈ、操舵トルクＴｈおよび転舵側目標操舵角θｈｔ^＊を、それぞれ、転舵角限界値での出力軸角θｈｅｎｄ、操舵トルクＴｈｅｎｄおよび転舵側目標操舵角θｈｔ^＊ｅｎｄとしてメモリに記憶する（Ｓ２、Ｓ４参照）。

この後、反力側目標操舵角設定部７１は、前記式(1)に基づいて、操舵トルクＴｈに応じたトーションバー１３の捩れ角θｔｂを演算する(Ｓ５参照)。ステップＳ４からステップＳ５に移行した場合には、θｔｂ＝０となる。ステップＳ９からステップＳ５に移行した場合において、ステアリングホイール２が切り増し操作されていると、トーションバー１３の捩れ角θｔｂは零以外の値となる。この後、反力側目標操舵角設定部７１は、前記式(2)に基づいて、反力側目標操舵角θｈｒ^＊を演算する(Ｓ６参照)。

ステップＳ４からステップＳ５に移行した場合のように、操舵トルクＴｈに応じたトーションバー１３の捩れ角θｔｂが零である場合には、反力側目標操舵角θｈｒ^＊は、転舵角限界値での出力軸角θｈｅｎｄに設定される。
一方、操舵トルクＴｈに応じたトーションバー１３の捩れ角θｔｂが零以外の値である場合には、反力側目標操舵角θｈｒ^＊は、転舵角限界値での出力軸角θｈｅｎｄに対して、操舵トルクＴｈに応じたトーションバー１３の捩れ角の絶対値｜θｔｂ｜分だけ出力軸１２の中立位置側に近い位置に設定される。これにより、ステアリングホイール２が回転するのを抑制できる。この理由について説明する。

転舵角限界値に到達した後においてもステアリングホイール２が切り増し操作されると、ステアリングホイール２は、出力軸１２に対して操舵トルクＴｈに応じたトーションバー１３の捩れ角の絶対値｜θｔｂ｜分だけ、出力軸１２の中立位置側とは反対方向に回転しようとする。一方、反力側目標操舵角θｈｒ^＊が前述のように設定されることにより、出力軸１２は、操舵トルクＴｈに応じたトーションバー１３の捩れ角の絶対値｜θｔｂ｜分だけ、出力軸１２の中立位置側に近い位置まで回転しようとする。この結果、ステアリングホイール２が回転するのを抑制できる。

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できる。たとえば、前述の実施形態では、転舵側目標操舵角設定部４２は、車速Ｖ、操舵トルクＴｈ、ヨーレートＹｒおよび出力軸角θｈに基づいて、転舵側目標操舵角θｈｔ^＊を設定している。しかし、転舵側目標操舵角設定部４２は、少なくとも出力軸角θｈまたは操舵トルクＴｈを用いて、転舵側目標操舵角θｈｔ^＊を設定すればよい。

また、前述の実施形態では、転舵角センサ１７によって転舵角δを検出しているが、転舵モータ３の回転角を検出するための回転角センサ２１の出力信号に基づいて、転舵角δを演算するようにしてもよい。
また、図６のステップＳ９では、出力軸角θｈの絶対値｜θｈ｜が、転舵角限界値での出力軸角θｈｅｎｄの絶対値｜θｈｅｎｄ｜よりも小さいか否かを判別しているが、操舵トルクＴｈの絶対値｜Ｔｈ｜が、転舵角限界値での操舵トルクＴｈｅｎｄの絶対値｜Ｔｈｅｎｄ｜よりも小さいか否かを判別するようにしてもよい。この場合には、反力側目標操舵角設定部７１は、｜Ｔｈ｜が｜Ｔｈｅｎｄ｜よりも小さいときに、ステップＳ１０に移行すればよい。

また、前述の実施形態では、ステアリングホイール２と転舵機構６との間に、ステアリングホイール２に加えられた操作トルクを転舵機構６に機械的に伝達するための機構が設けられていない構成であったが、これらの間に結合、非結合を切り換えることができる機構、例えばクラッチ（電磁クラッチ）を設けてもよい。例えば、転舵機構６にラック＆ピニオン式減速機構を設け、このピニオンの回転軸とステアリングホイール２の回転軸とをクラッチによって結合、非結合可能に連結してもよい。

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。

１…車両用操舵装置、２…ステアリングホイール、３…転舵モータ、５…転舵輪、６…転舵機構、１１…入力軸、１２…出力軸、１３…トーションバー、１６…トルクセンサ、１９…反力モータ、２２…回転角センサ、３０…ＥＣＵ、３１…マイクロコンピュータ、４０…転舵モータ制御部、７０…反力モータ制御部、８２…回転角演算部、８３…出力軸角演算部

Claims (3)

1. 操向のために操作される操舵部材と転舵輪を転舵するための転舵機構とが機械的に結合されていない状態で、転舵モータによって前記転舵機構が駆動される車両用操舵装置であって、
   操舵部材に連結される入力軸と、
   前記入力軸に一端が連結されるトーションバーと、
   前記トーションバーの他端に連結される出力軸と、
   前記出力軸に連結され、前記操舵部材に反力を与えるための反力モータと、
   前記操舵部材に加えられる操舵トルクを検出するトルク検出手段と、
   前記出力軸の目標回転角を設定し、前記出力軸の回転角が前記目標回転角と等しくなるように、前記反力モータを制御する反力モータ制御手段とを含み、
   前記反力モータ制御手段は、前記転舵輪の転舵角が転舵角限界値に到達しており、かつ前記転舵角限界値への到達時点の操舵トルクよりも前記操舵部材に大きな操舵トルクが加えられているときには、前記転舵角限界値に対応する前記出力軸の回転角に対して、前記トルク検出手段によって検出される操舵トルクに応じた回転角だけ、前記出力軸の中立位置側に近い位置に、前記出力軸の目標回転角を設定する目標回転角設定手段を含んでいる、車両用操舵装置。
2. 前記転舵輪の転舵角を検出する転舵角検出手段と、
   前記出力軸の回転角を検出するための回転角検出手段とをさらに含み、
   前記目標回転角設定手段は、
   前記転舵角検出手段によって検出される転舵角が前記転舵角限界値に達したときに、前記回転角検出手段によって検出される前記出力軸の回転角および前記トルク検出手段によって検出される操舵トルクを、それぞれ第１回転角および第１操舵トルクとして記憶する第１手段と、
   前記転舵角検出手段によって検出される転舵角が転舵角限界値に達してから、前記回転角検出手段によって検出される前記出力軸の回転角が前記第１回転角以上である状態が継続しているときは、前記トルク検出手段によって検出される操舵トルクと前記第１操舵トルクとの差に応じた回転角だけ、前記第１回転角から中立位置側に近い位置に、前記出力軸の目標回転角を設定する第２手段とを含む、請求項１に記載の車両用操舵装置である。
3. 前記転舵輪の目標転舵角を設定し、前記転舵輪の転舵角が前記目標転舵角と等しくなるように、前記転舵モータを制御する転舵モータ制御手段をさらに含み、
   前記第２手段は、前記転舵角検出手段によって検出される転舵角が転舵角限界値に達してから、前記回転角検出手段によって検出される前記出力軸の回転角が前記第１回転角以上である状態が継続しているときは、前記目標転舵角を固定させる手段を含んでいる、請求項２に記載の車両用操舵装置。

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