JP2022067147A - 操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプ流量の変動の影響を受けにくくすることでダンピング制御の安定性を高める。【解決手段】操舵装置１００は、操舵部材２１１に連結された入力軸（軸部材２１２）の回転を出力軸（ピニオンシャフト２３１）に伝達する第一伝達機構（手動操作機構２１０）と、出力軸の回転を転舵輪２２０に伝達する第二伝達機構（転舵機構２３０）と、第一アシスト力を第一伝達機構に付与する電動モータ１１０と、オイルポンプ２４３の動力を第二アシスト力として第二伝達機構に付与する油圧機構２４０と、電動モータ１１０を制御するモータ制御部１００とを備えている。モータ制御部は、油圧を起因とした油圧ダンピングトルクを、オイルポンプの流量に関する流量情報に基づいて推定するとともに、車両の車速と操舵部材の操舵角速度とに基づいてダンピングトルクを推定し、ダンピングトルクと油圧ダンピングトルクとの差分に基づいて電動モータを制御する。【選択図】図３

Description

本発明は、油圧機構により転舵力の一部が付与され、電動モータによって転舵力の他部が付与される操舵装置に関する。

車両の転舵機構に結合されたパワーシリンダに、オイルポンプからの作動油を、油圧制御バルブを介して供給することによって、アシスト力を転舵機構に付与する油圧式パワーステアリング装置が従来知られている。例えば特許文献１に記載のパワーステアリング装置（操舵装置）は、オイルポンプに加えて電動モータでもアシスト力を転舵機構に付与する装置である。このような操舵装置では、ハンドル（操舵部材）の操舵角に応じたダンピング制御時のアシスト制御量をＭＡＰから求め、アシスト制御量に応じた制御電流となるように電動モータを制御してダンピング制御を行うようになっている。

特開２００６－２１３０９４号公報

ところで、上述したダンピング制御であると、オイルポンプによるポンプ流量の変動が考慮されていないために、ダンピング制御が不安定になるおそれがある。

本発明の目的は、上記課題に鑑みなされたものであり、ポンプ流量の変動の影響を受けにくくすることでダンピング制御の安定性を高めることである。

上記目的を達成するために、本発明の１つである操舵装置は、操舵部材に連結され、当該操舵部材に対する操舵操作に伴い回転する入力軸と、入力軸の回転に連動して回転する出力軸と、入力軸の回転を出力軸に伝達する第一伝達機構と、出力軸の回転を転舵輪に伝達する第二伝達機構と、第一アシスト力を第一伝達機構に付与する電動モータと、車両に備わるエンジンを動力源とする油圧ポンプを有し、油圧ポンプの動力を第二アシスト力として第二伝達機構に付与する油圧機構と、電動モータを制御するモータ制御部とを備え、モータ制御部は、操舵部材の操舵方向とは反対方向に作用させるダンピングトルクのうち、油圧を起因とした油圧ダンピングトルクを、油圧ポンプの流量に関する流量情報に基づいて推定するとともに、車両の車速と操舵部材の操舵角速度とに基づいてダンピングトルクを推定し、ダンピングトルクと油圧ダンピングトルクとの差分に基づいて電動モータを制御する。

本発明によれば、ポンプ流量の変動の影響を受けにくくすることでダンピング制御の安定性を高めることができる。

実施の形態に係る操舵装置を模式的に表す図である。 実施の形態に係るモータ制御部の機能構成を示すブロック図である。 実施の形態に係る制御部においてダンピング制御に関する機能部を示したブロック図である。 実施の形態に係るダンピングトルクＭＡＰの一例を示す説明図である。 実施の形態に係る流量ＭＡＰを示す説明図である。 実施の形態に係る油圧ダンピングトルクＭＡＰの一例を示す説明図である。 変形例に係る転舵装置を模式的に示す図である。

以下に、本発明に係る操舵装置の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の位置関係、及び接続状態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下では複数の発明を一つの実施の形態として説明する場合があるが、請求項に記載されていない構成要素については、その請求項に係る発明に関しては任意の構成要素であるとして説明している。また、図面は、本発明を説明するために適宜強調や省略、比率の調整を行った模式的な図となっており、実際の形状や位置関係、比率とは異なる場合がある。

［操舵装置］
図１は、実施の形態に係る操舵装置を模式的に表す図である。操舵装置２００は、目標舵角に応じて転舵輪２２０を転舵し、操舵装置２００が搭載された車両の走行方向を操作するシステムである。操舵装置２００は、転舵機構２３０と、油圧機構２４０と、手動操作機構２１０と、電動モータ１１０と、モータ制御部１００と、を備えている。

転舵機構２３０は、転舵輪２２０を転舵させるための機構であり、本発明に係る第二伝達機構の一例である。転舵機構２３０は、特に限定されるものではないが、本実施の形態の場合、ラック・アンド・ピニオンが採用されている。具体的に転舵機構２３０は、ピニオンシャフト２３１と、ラックシャフト２３２と、タイロッド２３３と、を備えている。

ピニオンシャフト２３１は、ラックシャフト２３２に設けられたラックと噛合うピニオンを備えた棒状の部材である。ピニオンシャフト２３１は、電動モータ１１０に連結されており、電動モータ１１０からのトルクと、操舵部材２１１からのトルクが付与されて回転し、ラックシャフト２３２の軸方向にラックシャフト２３２を移動させる。ピニオンシャフト２３１は、本発明に係る出力軸の一例である。

ラックシャフト２３２は、外周面の一部にピニオンシャフト２３１と噛み合うラックが設けられ、ピニオンシャフト２３１の回転を、ラックシャフト２３２の軸方向の移動量に変換し、タイロッド２３３を介して転舵輪２２０を転舵させる部材である。ラックシャフト２３２には、油圧機構２４０が接続されており、油圧によって転舵輪２２０を転舵するための転舵力の一部、いわゆるアシスト力が付与される。ラックシャフト２３２は、車体に取り付けられたラックハウジング内に収容され、ラックハウジングによりラックシャフト２３２の移動が案内されている。

油圧機構２４０は、ピニオンシャフト２３１の回転角などに応じて油圧を調整し、ラックシャフト２３２にラックシャフト２３２の軸方向の力を転舵力の一部として付与する。この油圧機構２４０による付与される転舵力の一部は、油圧転舵力であり、第二アシスト力の一例である。油圧機構２４０は、特に限定されるものではないが、本実施の形態の場合、パワーシリンダ２４１と、ロータリーバルブ２４２と、オイルポンプ２４３と、リザーバタンク２４４とを備えている。

パワーシリンダ２４１は、ピストン２４５によって二つの空間に隔てられたシリンダ２４６を備え、二つの空間のそれぞれに充填された油の油圧が調整されることによりピストン２４５がラックシャフト２３２の軸方向に移動する。ピストン２４５は、ラックシャフト２３２に連結されており、ピストン２４５からラックシャフト２３２に移動方向の力が付与される。

ロータリーバルブ２４２は、ピストン２４５によって隔てられた二つの空間にそれぞれ供給される油圧を調整する装置である。ロータリーバルブ２４２の構造は、特に限定されるものではないが、本実施の形態の場合、ピニオンシャフト２３１とモータ制御部１００との間に介在配置される第二トーションバー２８２を備えている。ロータリーバルブ２４２は、第二トーションバー２８２の捩れによって生じる内側バルブと外側バルブとの相対移動に応じ、オイルポンプ２４３から圧送される油を、ピストン２４５によって隔てられた二つの空間の一方に供給する量を調整するとともに、他方の空間の余剰油をリザーバタンク２４４に還流する量を調整することにより、ピストン２４５の動作を制御している。

オイルポンプ２４３は、車両に備わるエンジンを動力源とする油圧ポンプである。オイルポンプ２４３の駆動によりリザーバタンク２４４内の油がパワーシリンダ２４１に供給されるようになっている。

手動操作機構２１０は、ステアリングホイール等の操舵部材２１１を運転者が操作することにより転舵輪２２０を転舵させることができる装置である。本実施の形態の場合、図１に示すように、手動操作機構２１０は、操舵部材２１１と、軸部材２１２と、第一トーションバー２８１と、トルク検出装置２１３と、を備えている。なお、手動操作機構２１０は、さらに、反力装置、目標舵角検出手段などを備えても構わない。

軸部材２１２は、操舵部材２１１に機械的に連結され、操舵部材２１１に対する操舵操作に応じて回転する棒状の部材である。軸部材２１２は、本発明に係る入力軸の一例である。軸部材２１２と転舵機構２３０との接続態様は、特に限定されるものではない。本実施の形態の場合、軸部材２１２は、操舵軸体１１１を介してピニオンシャフト２３１に機械的に連結されている。つまり、軸部材２１２の回転は、手動操作機構２１０によってピニオンシャフト２３１に伝達されるので、ピニオンシャフト２３１は軸部材２１２の回転に連動して回転する。このように、手動操作機構２１０は、本発明に係る第一伝達機構の一例である。

第一トーションバー２８１は、軸部材２１２に介在配置され、運転者が操舵部材２１１を操作することにより入力されるトルクに応じて捩れる部材である。トルク検出装置２１３は、第一トーションバー２８１の捩れ量を検出し、操舵トルクを出力する。

電動モータ１１０は、第一アシスト力を手動操作機構２１０に付与するモータである。具体的には、電動モータ１１０は、軸部材２１２と接続され、電動モータ１１０の出力軸の回転を軸部材２１２に伝達している。この電動モータ１１０から軸部材２１２に付与された力が第一アシスト力であり、電動モータ１１０が転舵機構２３０に付与する転舵力（モータ転舵力）である。

［モータ制御部］
図２は、実施の形態に係るモータ制御部の機能構成を示すブロック図である。モータ制御部１００は、目標舵角に応じて電動モータ１１０を制御する部位であり、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）の１つである。モータ制御部１００は、プログラムを実行することにより実現する処理部として、実舵角取得部１３０と、目標舵角取得部１３１と、制御部１３２とを備えている。

実舵角取得部１３０は、転舵輪２２０の実舵角を取得する。本実施の形態の場合、実舵角取得部１３０は、転舵輪２２０や転舵輪２２０を転舵するリンク機構などに取り付けられたセンサが出力した信号に基づき実舵角を取得する。

目標舵角取得部１３１は、転舵輪２２０を転舵するための目標舵角を取得する。本実施の形態の場合、目標舵角取得部１３１は、手動操作機構２１０に備わる目標舵角検出手段から目標転舵角を取得する。目標舵角検出手段は、操舵部材２１１の操舵角（回転角）を検出し目標舵角として出力する装置である。例えば、目標舵角検出手段は、軸部材２１２の回転を操舵部材２１１の回転として検出している。目標舵角検出手段の種類は、特に限定されるものではないが、例えば電動モータ１１０に取り付けられるレゾルバ、ロータリーエンコーダ、軸部材２１２とともに回転する主歯車と、主歯車に噛み合う径の異なる二つの従動歯車とを備え、従動歯車にそれぞれ備えられた永久磁石の回転をホール素子などで検出することにより出力軸の回転角度ばかりでなく回転方向も検出できる装置などを例示できる。

制御部１３２は、目標舵角取得部１３１が取得した目標舵角、及び実舵角取得部１３０が取得した実舵角に基づき実際の転舵輪２２０の実舵角が目標舵角に一致するように電動モータ１１０を制御する。本実施の形態の場合、電動モータ１１０は、複数のスイッチング素子を備えたＰＷＭインバータ２６０によって電力が供給されている。制御部１３２は、目標舵角と実舵角との差に応じて、電動モータ１１０を制御する目標トルクをモータ制御値として生成する。目標トルクの生成は、一般的には、ＰＩＤ制御が用いられる。具体的には、目標舵角と実舵角との差の項、当該差の積分項及び当該差の微分項にそれぞれ比例ゲイン、積分ゲイン及び微分ゲインが乗算された後、それらの項が加算されることにより目標トルクがモータ制御値として演算される。

［ダンピング制御］
ここで、制御部１３２は、操舵時において、操舵部材２１１の操舵方向とは反対方向に減衰力（ダンピングトルク）を付与するダンピング制御を実行する。これにより、ドライバは、操舵部材２１１を操作した際に、ダンピング力を起因とした抵抗力を受けることになる。

具体的には、ダンピング制御時において制御部１３２は、操舵部材２１１の操舵方向とは反対方向に作用させるダンピングトルクのうち、油圧を起因とした油圧ダンピングトルクを、オイルポンプ２４３の流量に関する流量情報に基づいて推定するとともに、車両の車速と操舵部材２１１の操舵角速度とに基づいてダンピングトルクを推定する。その後、制御部１３２は、ダンピングトルクと油圧ダンピングトルクとの差分（モータダンピングトルク）に基づいて電動モータ１１０を制御する。

図３は、実施の形態に係る制御部１３２においてダンピング制御に関する機能部を示したブロック図である。制御部１３２は、ダンピングトルク推定部１３３と、油圧ダンピングトルク推定部１３４と、モータ制御値生成部１３５とを備えている。

ダンピングトルク推定部１３３は、車両の車速と、操舵部材２１１の操舵角速度とに基づいてダンピングトルクを推定する。具体的には、ダンピングトルク推定部１３３は、車両の車速センサから車速を取得する。ダンピングトルク推定部１３３は、手動操作機構２１０に設けられ、操舵部材２１１の操舵角速度を直接的に検出する操舵角速度センサから操舵角速度を取得する。なお、ダンピングトルク推定部１３３は、標舵角検出手段が検出した操舵部材２１１の操舵角を取得し、当該操舵角を時間微分することで操舵角速度を求めて取得してもよい。

ダンピングトルク推定部１３３は、取得した車速と、操舵角速度とからダンピングトルクを推定するためのＭＡＰ（ダンピングトルクＭＡＰ）を記憶している。

図４は、実施の形態に係るダンピングトルクＭＡＰの一例を示す説明図である。図４に示すように、ダンピングトルクＭＡＰは、操舵角速度に基づいてダンピングトルクを推定するためのＭＡＰである。ダンピングトルク推定部１３３には、車速域に対応した複数のダンピングトルクＭＡＰが記憶されている。ダンピングトルク推定部１３３は、複数のダンピングトルクＭＡＰから、取得した車速が含まれる車速域のダンピングトルクＭＡＰを抽出して、そのダンピングトルクＭＡＰと、取得した操舵角速度とからダンピングトルクを推定する。このとき、ダンピングトルク推定部１３３は、推定したダンピングトルクに対して、車速に応じた車速ゲインを積算してもよい。

図３に示すように、油圧ダンピングトルク推定部１３４は、オイルポンプ２４３の油圧を起因とした油圧ダンピングトルクを、オイルポンプ２４３の流量に関する流量情報に基づいて推定する。具体的には、油圧ダンピングトルク推定部１３４は、車両のエンジンに設けられた回転数センサからエンジンの回転数を取得する。オイルポンプ２４３の流量と、エンジンの回転数とには、回転数に比例して流量が増加する関係性がある。このため、オイルポンプ２４３の流量を直接的に検出しなくとも、エンジンの回転数を流量情報として用いることが可能である。

また、油圧ダンピングトルク推定部１３４は、手動操作機構２１０に設けられ、操舵部材２１１の操舵角速度を直接的に検出する操舵角速度センサから操舵角速度を取得する。なお、油圧ダンピングトルク推定部１３４は、操舵角検出手段が検出した操舵部材２１１の操舵角を取得し、当該操舵角を時間微分することで操舵角速度を求めて取得してもよい。

油圧ダンピングトルク推定部１３４は、取得したエンジンの回転数と、操舵角速度とからオイルポンプ２４３の流量を推定するためのＭＡＰ（流量ＭＡＰ）と、流量から油圧ダンピングトルクを推定するためのＭＡＰ（油圧ダンピングトルクＭＡＰ）とを記憶している。

図５は、実施の形態に係る流量ＭＡＰを示す説明図である。図５に示すように、流量ＭＡＰは、操舵角速度と、エンジンの回転数とからオイルポンプ２４３の流量を推定するためのＭＡＰである。オイルポンプ２４３の流量と、エンジンの回転数との関係性は、操舵角度の値により変動するため、流量ＭＡＰには、操舵角速度に応じて複数のグラフＴ１、Ｔ２が設けられている。グラフＴ１は操舵角速度が大きい場合の関係性を示し、グラフＴ２は操舵角速度が小さい場合の関係性を示している。本実施の形態では、流量ＭＡＰに２つのグラフＴ１、Ｔ２が設けられている場合を図示しているが、グラフの個数は２つに限定されない。つまり、操舵角速度域をより細かく分類し、各操舵角速度域に対応したグラフを流量ＭＡＰに設けてもよい。

油圧ダンピングトルク推定部１３４は、複数のグラフＴ１、Ｔ２のうち、取得した操舵角速度に対応したグラフを抽出し、当該グラフとエンジンの回転数に基づいてオイルポンプ２４３の流量を推定する。

図６は、実施の形態に係る油圧ダンピングトルクＭＡＰの一例を示す説明図である。図６に示すように、油圧ダンピングトルクＭＡＰは、オイルポンプ２４３の流量ＭＡＰから推定された流量に基づいて、油圧ダンピングトルクを推定するためのＭＡＰである。油圧ダンピングトルク推定部１３４は、取得したエンジンの回転数と、油圧ダンピングトルクＭＡＰとから油圧ダンピングトルクを推定する。

図３に示すように、モータ制御値生成部１３５には、ダンピングトルク推定部１３３で推定されたダンピングトルクと、油圧ダンピングトルク推定部１３４で推定された油圧ダンピングトルクとの差分が入力される。この差分は、油圧ダンピングトルクの影響が除外された値となる。

モータ制御値生成部１３５は取得した差分に基づいて、電動モータ１１０を制御するための制御値（電流指令値）を演算する。これにより、求められた制御値がＰＷＭインバータ２６０に入力されて電動モータ１１０が駆動する。これにより、油圧ダンピングトルクの影響を除外して電動モータ１１０を制御することができる。

［効果など］
以上のように、本実施の形態によれば、ダンピング制御では、ダンピングトルクと油圧ダンピングトルクとの差分に基づいて電動モータ１１０が制御されるので、油圧ダンピングトルクの影響を除外して電動モータ１１０を制御することができる。油圧ダンピングトルクは、オイルポンプ２４３の流量の変動が反映されるが、ダンピング制御では、この油圧ダンピングトルクの影響が除外されているので当該流量の変動が影響されにくい。したがって、ダンピング制御の安定性を高めることが可能である。

また、油圧ダンピングトルク推定部１３４が、エンジンの回転数を流量情報として用いて油圧ダンピングトルクを推定しているので、オイルポンプ２４３の流量を検出する流量センサを用いなくとも油圧ダンピングトルクを推定できる。したがって、操舵装置２００の製造コストを低減することが可能である。

［その他］
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、本明細書において記載した構成要素を任意に組み合わせて、また、構成要素のいくつかを除外して実現される別の実施の形態を本発明の実施の形態としてもよい。また、上記実施の形態に対して本発明の主旨、すなわち、請求の範囲に記載される文言が示す意味を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例も本発明に含まれる。

例えば、上記実施の形態では、エンジンの回転数を流量情報として用いる場合を例示した。しかしながら、オイルポンプ２４３の流量を流量情報として採用することも可能である。図７は、変形例に係る転舵装置を模式的に示す図である。具体的には、図７は図１に対応する図である。なお、以降の説明において、上記実施の形態と同一の部分においては同一の符号を付してその説明を省略する場合がある。

図７に示すように、変形例に係る転舵装置２００Ａには、オイルポンプ２４３で圧送されるオイルの経路上に、オイルポンプ２４３の流量を直接的に検出する流量センサ２９０ａが設けられている。この流量センサ２９０ａが検出した流量が流量情報として用いられる。具体的には、流量センサ２９０ａが検出した流量は、油圧ダンピングトルク推定部１３４に入力される。この場合、油圧ダンピングトルク推定部１３４は、流量ＭＡＰを記憶しておらず、油圧ダンピングトルクＭＡＰと、流量センサ２９０ａが検出した流量とに基づいて油圧ダンピングトルクを推定する。つまり、オイルポンプ２４３の流量を直接的に用いるために、他のパラメータ（例えばエンジンの回転数）から流量を推定する場合と比べてもより正確に油圧ダンピングトルクを推定することが可能となる。したがって、ダンピング制御の安定性をより高めることができる。

また、上記実施の形態では、図４～図６に示す各ＭＡＰを用いて種々の推定を実行する場合を例示した。しかしながら、各ＭＡＰはあくまで一例である。つまり、各種実験、シミュレーション、経験則などにより、操舵装置の各種パラメータ、使用状況等に適応するように各ＭＡＰを設定してもよい。また、ＭＡＰを用いなくとも数式などにより各推定を実行することも可能である。

本発明は、油圧機構及び電動モータによってアシスト力を付与する転舵装置に対し利用可能である。

１００…モータ制御部、１１０…電動モータ、１１１…操舵軸体、１３０…実舵角取得部、１３１…目標舵角取得部、１３２…制御部、１３３…ダンピングトルク推定部、１３４…油圧ダンピングトルク推定部、１３５…モータ制御値生成部、２００、２００Ａ…操舵装置、２１０…手動操作機構（第一伝達機構）、２１１…操舵部材、２１２…軸部材（入力軸）、２１３…トルク検出装置、２２０…転舵輪、２３０…転舵機構（第二伝達機構）、２３１…ピニオンシャフト（出力軸）、２３２…ラックシャフト、２３３…タイロッド、２４０…油圧機構、２４１…パワーシリンダ、２４２…ロータリーバルブ、２４３…オイルポンプ、２４４…リザーバタンク、２４５…ピストン、２４６…シリンダ、２６０…インバータ、２８１…第一トーションバー、２８２…第二トーションバー、２９０ａ…流量センサ

Claims (3)

1. 操舵部材に連結され、当該操舵部材に対する操舵操作に伴い回転する入力軸と、
   前記入力軸の回転に連動して回転する出力軸と、
   前記入力軸の回転を出力軸に伝達する第一伝達機構と、
   前記出力軸の回転を転舵輪に伝達する第二伝達機構と、
   第一アシスト力を前記第一伝達機構に付与する電動モータと、
   車両に備わるエンジンを動力源とする油圧ポンプを有し、前記油圧ポンプの動力を第二アシスト力として前記第二伝達機構に付与する油圧機構と、
   前記電動モータを制御するモータ制御部とを備え、
   前記モータ制御部は、
   前記操舵部材の操舵方向とは反対方向に作用させるダンピングトルクのうち、油圧を起因とした油圧ダンピングトルクを、前記油圧ポンプの流量に関する流量情報に基づいて推定するとともに、前記車両の車速と前記操舵部材の操舵角速度とに基づいて前記ダンピングトルクを推定し、
   前記ダンピングトルクと前記油圧ダンピングトルクとの差分に基づいて前記電動モータを制御する
   操舵装置。
2. 前記モータ制御部は、前記エンジンの回転数を前記流量情報として用いて、前記油圧ダンピングトルクを推定する
   請求項１に記載の操舵装置。
3. 前記油圧ポンプの流量を検出する流量センサを備え、
   前記モータ制御部は、前記流量センサの検出結果を前記流量情報として、前記油圧ダンピングトルクを推定する
   請求項１に記載の操舵装置。

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