JP2021146975A - 操舵角推定装置、操舵装置及び、操舵角推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】操舵装置の実際の操舵角を高精度に推定取得する。【解決手段】操舵装置１の操舵角を検出する操舵角センサ１３と、操舵装置１に操舵力を付与可能なモータ３０の電気角を検出するモータ回転角センサ３１と、操舵装置１の実操舵角を推定する実操舵角推定部１２０とを備え、実操舵角推定部１２０は、モータ回転角センサ３１により検出される電気角を操舵絶対角に換算した角度換算値と、操舵角センサ１３により検出される操舵角との差分が所定値よりも小さい場合に、角度換算値を実操舵角として推定する。【選択図】図２

Description

本開示は、操舵角推定装置、操舵装置及び、操舵角推定方法に関し、特に、自動操舵に好適な技術に関するものである。

従来、車両に搭載される操舵装置として、操舵角センサのセンサ値に基づいてアクチュエータの作動を制御する自動操舵装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、操舵装置の操舵角を検出する操舵角センサも種々提案されている（例えば、特許文献２，３参照）。

特開２００４−３５２１２０号公報 特開２０１３−４４５５７号公報 特開２００７−１３２６８５号公報

上記のような操舵角センサは、ステアリング軸やコラムユニット等に対して、機械的な組み付け誤差（いわゆるガタ）がある状態で取り付けられるのが一般的である。このため、操舵角センサのセンサ値と、実際の操舵角との間には、機械的な誤差に伴う乖離が生じる場合がある。その結果、操舵角センサのセンサ値に基づいて自動操舵制御を行うと、制御性の低下を招き、安定した自動操舵制御を行えなくなるといった課題がある。

本開示の技術は、上記事情に鑑みてなされたものであり、操舵装置の実際の操舵角を高精度に推定取得することを目的とする。

本開示の推定装置は、操舵装置の操舵角を検出する操舵角センサと、前記操舵装置に操舵力を付与可能なモータの電気角を検出するモータ回転角センサと、前記操舵装置の実操舵角を推定する実操舵角推定部と、を備え、前記実操舵角推定部は、前記モータ回転角センサにより検出される前記電気角を操舵絶対角に換算した角度換算値と、前記操舵角センサにより検出される前記操舵角との差分が所定値よりも小さい場合に、該角度換算値を前記実操舵角として推定することを特徴とする。

また、前記所定値が、前記操舵角センサの機械的な誤差を基準に設定されていることが好ましい。

本開示の操舵装置は、前記実操舵角推定部により推定される実操舵角と、所定の目標操舵角とに基づいて、前記モータの作動を制御する自動操舵制御部を備えることを特徴とする。

本開示の推定方法は、操舵装置の操舵角を検出し、前記操舵装置に操舵力を付与可能なモータの電気角を検出し、検出した前記電気角を操舵絶対角に換算した角度換算値と、検出した前記操舵角との差分が所定値よりも小さい場合に、該角度換算値を前記操舵装置の実操舵角として推定することを特徴とする。

本開示の技術によれば、操舵装置の実際の操舵角を高精度に推定取得することができる。

本実施形態に係る操舵装置を示す模式的な全体構成図である。 本実施形態に係る制御装置及び、関連する周辺構成を示す模式的な機能ブロック図である。 本実施形態に係る操舵角センサとモータ回転角センサとのセンサ値の比較を説明する模式図である。

以下、添付図面に基づいて、本実施形態に係る操舵角推定装置、操舵装置及び、操舵角推定方法について説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

［全体構成］
図１は、本実施形態に係る操舵装置１を示す模式的な全体構成図である。

操舵装置１は、例えば、車両用の自動操舵装置あって、主として、操作部１０と、転舵部２０と、アクチュエータとしての操舵モータ３０と、前方カメラ４０と、制御装置１００とを備えている。

操作部１０は、運転者により操作される操作部材としてのステアリングホイール１１と、ステアリングホイール１１の略中心部に配されたコラムユニット１１Ａと、ステアリング軸１２とを有する。コラムユニット１１Ａには、方向指示器等の操作レバーが設けられている。ステアリング軸１２の一端部は、コラムユニット１１Ａに一体回転可能に固定されている。

ステアリング軸１２には、ステアリングホイール１１の操舵角（ステアリング軸１２の回転角）を検出する操舵角センサ１３が設けられている。この操舵角センサ１３は、本体部にピン等で嵌合された不図示のコイルユニットを備えており、該コイルユニットをコラムユニット１１Ａに対してピン等で嵌合することにより取り付けられている。操作角センサ１３により検出される操舵角センサ値θ_＿Ｓは、電気的に接続された制御装置１００に送信される。

転舵部２０は、例えば、ラックピニオン式の転舵装置であって、ステアリング軸１２にユニバーサルジョイント１４を介して連結されたピニオン軸２１と、ピニオン軸２１のピニオン２１Ａと噛合するラック２２Ａが形成されたラック軸２２とを有する。すなわち、ステアリング軸１２からピニオン軸２１に回転力が伝達されると、その回転運動が直線運動に変換されて、ラック軸２２が軸方向に移動するようになっている。ラック軸２２は、車幅方向に延びており、その両端には、タイロッド２３Ｌ，２３Ｒを介して左右の操舵輪２４Ｌ，２４Ｒが回動可能に設けられている。

操舵モータ３０は、例えば、３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の駆動電力に基づいて回転する３相ブラシレスモータであって、ピニオン軸２１（又は、ステアリング軸１２）に回転力（操舵トルク）を付与するように設けられている。なお、操舵モータ３０は、ラック軸２２に操舵トルクを伝達できるように設けられてもよい。

操舵モータ３０には、例えば、レゾルバ等の磁極位置検出エンコーダで構成されたモータ回転角センサ３１が設けられている。モータ回転角センサ３１は、操舵モータ３０のロータとステータとのリアクタンス変化により発生する電気信号等に基づいてモータ回転角（以下、電気角値θ_＿Ｅという）を検出する。モータ回転角センサ３１により検出される電気角値θ_＿Ｅは、電気的に接続された制御装置１００に送信される。

前方カメラ４０は、車両の前方や走行路面を撮像し、これらの画像データを生成する。前方カメラ４０により生成される画像データは、電気的に接続された制御装置１００に送信される。

［制御装置］
図２は、本実施形態に係る制御装置１００及び、関連する周辺構成を示す模式的な機能ブロック図である。

制御装置１００は、例えば、コンピュータ等の演算を行う装置であり、互いにバス等で接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）やＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入力ポート、出力ポート等を備え、プログラムを実行する。

また、制御装置１００は、プログラムの実行により、自動操舵制御部１１０と、制御用操舵角設定部１２０（本開示の実操舵角推定部）とを備える装置として機能する。これら各機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアである制御装置１００に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

自動操舵制御部１１０は、前方カメラ４０から送信される画像データ等に基づいて、車両が走行車線を逸脱することなく走行するのに必要な目標操舵角θ_＿Ｔａｇを算出すると共に、算出した目標操舵角θ_＿Ｔａｇに応じて操舵モータ３０の作動を制御する自動操舵制御を実施する。具体的な一例として、自動操舵制御部１１０は、算出した目標操舵角θ_＿Ｔａｇと、後述する制御用操舵角設定部１２０により設定される制御用操舵角値θ_{＿Ｃｏｒｒ}との偏差Δθ（＝θ_＿Ｔａｇ−θ_{＿Ｃｏｒｒ}）に基づいて、操舵モータ３０の作動をフィードバック制御することにより、自動操舵制御を実行する。

制御用操舵角設定部１２０は、操舵角センサ１３から送信される操舵角センサ値θ_＿Ｓと、モータ回転角センサ３１から送信される電気角値θ_＿Ｅとに基づいて、前述の自動操舵制御に用いる制御用操舵角値θ_{＿Ｃｏｒｒ}を設定する。

ここで、図１に示すモータ回転角センサ３１は、ステアリング軸１２に対して、機械的な組み付け誤差（ガタ）が略ない状態で連結されるため、モータ回転角センサ３１により検出される電気角値θ_＿Ｅは非常に精度が高い。しかしながら、電気角値θ_＿Ｅは、操舵モータ３０の磁極数に合わせた電気角に分割されており、且つ、ステアリング軸１２は多回転（１回転以上）するため、電気角値θ_＿Ｅを実際のステアリング軸１２の回転角（以下、実ステアリング角θ_＿Ａｃｔという）として自動操舵制御にそのまま使用することはできない。

一方、図１に示す操舵角センサ１３は、コラムユニット１１Ａ等に対して機械的な組み付け誤差（ガタ）がある状態で取り付けられているため、操舵角センサ１３により検出される操舵角センサ値θ_＿Ｓと実ステアリング角θ_＿Ａｃｔとの間には所定の乖離（例えば、±４〜５度）が生じる場合がある。このため、操舵角センサ値θ_＿Ｓをそのまま自動操舵制御に用いると、制御性の低下を招く要因となる。

そこで、本実施形態では、精度の高い電気角値θ_＿Ｅを、実ステアリング角θ_＿Ａｃｔの学習補正に用いることで、制御用操舵角値θ_{＿Ｃｏｒｒ}の設定精度を向上し、これにより、安定した自動操舵制御の実現を可能とする。なお、実ステアリング角θ_＿Ａｃｔと電気角値θ_＿Ｅとの位置合わせ（絶対角合わせ）による補正値は、予め工場出荷前の車両製造時等に取得して制御装置１００のメモリに格納しておくものとする。

図３は、例えば、操舵モータ３０の磁極数Ｍｎが「４」、電気角分解能Ｅｒが「１０２３」の構成において、実ステアリング角θ_＿Ａｃｔが４５度となり、これに伴い電気角値θ_＿Ｅが「５１２」となった状態で、（Ａ）は操舵角センサ値θ_＿Ｓに乖離が無い場合、（Ｂ）は操舵角センサ値θ_＿Ｓに組み付け誤差を起因とした＋５度の乖離がある場合、（Ｃ）は操舵角センサ値θ_＿Ｓに組み付け誤差を起因とした−５度の乖離がある場合をそれぞれ示している。

図３（Ａ）に示すように、操舵角センサ値θ_＿Ｓに乖離が無い場合、電気角値θ_＿Ｅの「５１２」を操舵角（絶対角）に換算した操舵角換算値θ_＿Ｃａｌは約４５となり、操舵角センサ値θ_＿Ｓの値４５と略等しくなる。ここで、操舵角換算値θ_＿Ｃａｌは、以下の数式（１）で求められる。

θ_＿Ｃａｌ＝（３６０×θ_＿Ｅ）／（Ｅｒ×Ｍｎ）・・・・（１）
但し、θ_＿Ｅ＝電気角値
Ｅｒ＝電気角分解能
Ｍｎ＝磁極数
一方、図３（Ｂ）に示すように、操舵角センサ値θ_＿Ｓに機械的な誤差に伴う＋５度の乖離がある場合、操舵角換算値θ_＿Ｃａｌの約４５に対して、操舵角センサ値θ_＿Ｓは−５の４０となる。また、図３（Ｃ）に示すように、操舵角センサ値θ_＿Ｓに機械的な誤差に伴う−５度の乖離がある場合、操舵角換算値θ_＿Ｃａｌの約４５に対して、操舵角センサ値θ_＿Ｓは＋５の５０となる。

すなわち、機械的な誤差のない電気角値θ_＿Ｅを絶対角に換算した操舵角換算値θ_＿Ｃａｌに対して、操舵角センサ値θ_＿Ｓが操舵角センサ１３の機械的な誤差に起因する乖離の範囲内（例えば、±４〜５度）にあれば、操舵角換算値θ_＿Ｃａｌを実ステアリング角θ_＿Ａｃｔとして見做すことができる。言い換えれば、電気角値θ_＿Ｅから換算した操舵角換算値θ_＿Ｃａｌと、操舵角センサ値θ_＿Ｓとの差分が、操舵角センサ１３の機械的な誤差よりも小さければ、当該操舵角換算値θ_＿Ｃａｌを自動操舵制御に用いる制御用操舵角値θ_{＿Ｃｏｒｒ}に設定できることとなる。

制御用操舵角設定部１２０は、まず、エンジン始動時等の車両走行開始時に、操舵角換算値θ_＿Ｃａｌが以下の数式（２），（３）に示す条件を満たすか否かを判定する。なお、数式（２），（３）において、Ａは、操舵角センサ１３の機械的な誤差に起因する乖離角度値（例えば、±５度）である。この乖離角度値Ａは、予め実験等により取得して、制御装置１００のメモリに格納しておくものとする。

θ_＿Ｃａｌ＋（３６０／Ｍｎ）×ｎ＞θ_＿Ｓ−Ａ ・・・・（２）
θ_＿Ｃａｌ＋（３６０／Ｍｎ）×ｎ＜θ_＿Ｓ＋Ａ ・・・・（３）
数式（２），（３）において、ｎは以下の数式（４）で示される。数式（４）において、Ｎｓはステアリング回転数（小数点切り上げ）である。

ｎ＝（（Ｍｎ×Ｎｓ）−１）×（−１）〜（（Ｍｎ×Ｎｓ）−１）・・・（４）
制御用操舵角設定部１２０は、上記数式（２），（３）の条件が満たされる場合には、以下の数式（５）から求めた制御用操舵角値θ_{＿Ｃｏｒｒ}を自動操舵制御の操舵角として設定する。

θ_{＿Ｃｏｒｒ}＝θ_＿Ｃａｌ＋３６０／（Ｍｎ×ｎ） ・・・・（５）
以降、制御用操舵角設定部１２０は、数式（５）から求めた制御用操舵角値θ_{＿Ｃｏｒｒ}を設定した後は、該設定値を基準に、モータ回転角センサ３１からリアルタイムに送信される電気角値θ_＿Ｅからカウントとした値を自動操舵制御用の操舵角として逐次設定し、自動操舵制御部１１０にリアルタイムに送信する。

以上要するに、本実施形態によれば、精度は高いがステアリング軸１２の多回転には対応できないモータ回転角センサ３１の電気角値θ_＿Ｅと、組み付け誤差の影響はあるが、ステアリング軸１２の多回転に対応した絶対角を検出可能な操舵角センサ１３の操舵角センサ値θ_＿Ｓとの相関関係に基づいて、自動操舵制御に用いる制御用操舵角値θ_{＿Ｃｏｒｒ}を高精度に設定できるように構成されている。これにより、自動操舵制御の制御性が向上し、安定した自動操舵制御を実現することが可能となる。

［その他］
なお、本開示は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜に変形して実施することが可能である。

例えば、上記実施形態において、電気角値θ_＿Ｅから換算した操舵角換算値θ_＿Ｃａｌと、操舵角センサ値θ_＿Ｓとの差分が、操舵角センサ１３の機械的な誤差よりも大きい場合には、自動操舵制御を禁止すると共に、運転者に対して操舵装置１の異常を通知する診断機能を付加してもよい。

また、操舵装置１は、自動操舵装置として説明したが、操舵モータ３０により運転者の操舵操作をアシストする電動アシスト操舵装置等にも広く適用することが可能である。

１ 操舵装置
１０ 操作部
１１ ステアリングホイール
１１Ａ コラムユニット
１２ ステアリング軸
１３ 操舵角センサ
２０ 転舵部
３０ 操舵モータ
３１ モータ回転角センサ
１００ 制御装置
１１０ 自動操舵制御部
１２０ 制御用操舵角設定部（実操舵角推定部）

Claims (4)

1. 操舵装置の操舵角を検出する操舵角センサと、
   前記操舵装置に操舵力を付与可能なモータの電気角を検出するモータ回転角センサと、
   前記操舵装置の実操舵角を推定する実操舵角推定部と、を備え、
   前記実操舵角推定部は、前記モータ回転角センサにより検出される前記電気角を操舵絶対角に換算した角度換算値と、前記操舵角センサにより検出される前記操舵角との差分が所定値よりも小さい場合に、該角度換算値を前記実操舵角として推定する
   ことを特徴とする操舵角推定装置。
2. 前記所定値が、前記操舵角センサの機械的な誤差を基準に設定されている
   請求項１に記載の操舵角推定装置。
3. 請求項１又は２に記載の操舵角推定装置を備える操舵装置であって、
   前記実操舵角推定部により推定される実操舵角と、所定の目標操舵角とに基づいて、前記モータの作動を制御する自動操舵制御部を備える
   ことを特徴とする操舵装置。
4. 操舵装置の操舵角を検出し、前記操舵装置に操舵力を付与可能なモータの電気角を検出し、検出した前記電気角を操舵絶対角に換算した角度換算値と、検出した前記操舵角との差分が所定値よりも小さい場合に、該角度換算値を前記操舵装置の実操舵角として推定する
   ことを特徴とする操舵角推定方法。

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