JP2022148495A - ステアリングバイワイヤシステムおよびステアリングバイワイヤ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回路内の電流値を精度よく検出することが可能である。【解決手段】負荷制御装置は、電源と負荷との間に介装されるスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ動作させて負荷を駆動する負荷制御手段と、電流検出用抵抗と、差動アンプと、電流検出用抵抗２５に流れる電流を演算する電流演算手段と、を備える。負荷制御手段は、スイッチング素子の一方をＯＮにして他方をＯＦＦにする状態と一方をＯＦＦにして他方をＯＮにする状態とを交互に繰り返すスタンバイ状態と、スイッチング素子の両方をＯＮにして負荷に電流を流す駆動状態と、を切り換え可能である。電流演算手段は、スタンバイ状態である場合に差動アンプから出力された値をオフセット値として設定し、駆動状態である場合に差動アンプから出力された値とオフセット値とに基づいて電流検出用抵抗に流れる電流を演算する。【選択図】図３

Description

本開示は、ステアリングバイワイヤシステムおよびステアリングバイワイヤ制御方法に関する。

ステアリングホイールに入力される操舵トルクに応じたアシスト力をモータによって発生させる電動パワーステアリング装置が知られている（特許文献１）。また、ステアバイワイヤ方式と称される車両のステアリング制御装置が知られている（特許文献２）。

特開２０１４－１９２９６１号公報 特開２０１９－１５１２７２号公報

ところで、ステアリングバイワイヤにおいて、高精度な制御が可能な負荷制御装置が求められている。

本開示は、電源と負荷との間を接続する上アームおよび下アームにそれぞれ介装されるスイッチング素子をＰＷＭ信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦ動作させることで前記負荷を駆動する負荷制御手段と、前記負荷に直列に接続される電流検出用抵抗と、前記電流検出用抵抗に生じる電圧降下を検出するとともに増幅して出力する差動アンプと、前記差動アンプの出力値に基づいて前記電流検出用抵抗に流れる電流を演算する電流演算手段と、を備え、前記負荷制御手段は、前記スイッチング素子の一方をＯＮにして他方をＯＦＦにする状態と一方をＯＦＦにして他方をＯＮにする状態とを交互に繰り返すスタンバイ状態と、前記スイッチング素子の両方をＯＮにして前記負荷に電流を流す駆動状態と、を切り換え可能であり、前記電流演算手段は、前記スタンバイ状態である場合に前記差動アンプから出力された値をオフセット値として設定し、前記駆動状態である場合に前記差動アンプから出力された値と前記オフセット値とに基づいて前記電流検出用抵抗に流れる電流を演算するステアリングフォースアクチュエータ、を備える、ステアリングバイワイヤシステムを提供する。

また、本開示は、電源と負荷との間を接続する上アームおよび下アームにそれぞれ介装されるスイッチング素子をＰＷＭ信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦ動作させることで、前記負荷を駆動するステアリングフォースアクチュエータにより実行されるステアリングバイワイヤ制御方法であって、前記ステアリングフォースアクチュエータは、前記負荷に直列に接続される電流検出用抵抗と、前記電流検出用抵抗に生じる電圧降下を検出するとともに増幅して出力する差動アンプと、を備え、前記スイッチング素子の一方をＯＮにして他方をＯＦＦにする状態と一方をＯＦＦにして他方をＯＮにする状態とを交互に繰り返すステップと、前記差動アンプから出力された値をオフセット値として設定するステップと、前記スイッチング素子の両方をＯＮにして前記負荷に電流を流すことで前記負荷を駆動するステップと、前記差動アンプから出力された値と前記オフセット値とに基づいて、前記電流検出用抵抗に流れる電流を演算するステップと、を実行する、ステアリングバイワイヤ制御方法を提供する。

本開示によれば、スタンバイ状態である場合に差動アンプから出力された値をオフセット値として設定し、駆動状態である場合に差動アンプから出力された値とオフセット値とに基づいて電流検出用抵抗に流れる電流を演算するので、差動アンプの特性による検出値の誤差を考慮して電流検出用抵抗に流れる電流を演算することができる。よって、負荷制御装置の回路内の電流値を精度よく検出することができる。

本実施形態に係るモータ制御装置を搭載した電動パワーステアリング装置を示す構成図 本実施形態に係るモータ制御装置を示す構成図 コントローラが行う処理内容を示すフローチャート 入力オフセット電圧について説明するための図 同相信号除去比について説明するための図 同相信号除去比について説明するための図 差動アンプの出力値の時間変化を示すタイムチャート ステアリングバイワイヤの構成を示す図

以下、適宜図面を参照しながら、本開示に係るステアリングバイワイヤシステムおよびステアリングバイワイヤ制御方法を具体的に開示した実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるものであり、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

図１は、本実施形態におけるモータ制御装置を搭載した電動パワーステアリング装置１を示す構成図である。

電動パワーステアリング装置１は、ステアリングホイール（図示せず）に連結されて車輪（図示せず）を操舵する操舵機構２と、入力トルクを検出するトルクセンサ３と、操舵機構２にアシストトルクを付与する負荷としての電動モータ（以下、単に「モータ」と称する）と、トルクセンサ３の検出信号が入力されるとともにモータ４の出力を制御する負荷制御手段としてのコントローラ５と、を備える。

操舵機構２は、ステアリングホイールに連結されるステアリングシャフト６と、ステアリングシャフト６に形成されるピニオン７と、ピニオン７に噛み合うラック８と、を備える。ステアリングシャフト６の回転によってピニオン７が回転すると、ピニオン７に噛み合うラック８が軸方向（車両の左右方向）に移動し、ラック８に連結されるタイロッド（図示せず）を介して車輪が操舵される。

操舵機構２はさらに、ステアリングシャフト６に連結されるウォームホイール９と、ウォームホイール９に噛み合うウォーム１０と、を備える。ウォーム１０は、モータ４の出力軸に連結される。モータ４がウォーム１０を回転駆動すると、ウォームホイール９が回転駆動されることで、ステアリングシャフト６にアシストトルクが付与される。

トルクセンサ３は、ステアリングシャフト６の途中に介装され、運転者がステアリングホイールを介してステアリングシャフト６に付与する入力トルクを検出する。

コントローラ５は、トルクセンサ３から入力されたトルク検出信号に基づいてアシストトルクを演算し、モータ４の出力を制御する。

以下、コントローラ５によるモータ４の制御について説明する。図２は、本実施形態におけるモータ制御装置２０を示す構成図である。

負荷制御装置としてのモータ制御装置２０は、電源１１とモータ４とを接続する上アーム２１および下アーム２２と、上アーム２１に介装される上スイッチング素子２３と、下アーム２２に介装される下スイッチング素子２４と、上スイッチング素子２３および下スイッチング素子２４をＯＮ／ＯＦＦ動作させるコントローラ５と、を備える。

電源１１は、電動パワーステアリング装置１が搭載される車両のバッテリである。モータ４は、３相交流モータである。なお、図２では、説明の簡略化のため１組の上アーム２１および下アーム２２のみを示しているが、実際にはモータ４のステータコイルのＵ相、Ｖ相およびＷ相にそれぞれ対応する３組の上アーム２１および下アーム２２が電源１１に対して並列に配置される。

コントローラ５は、演算されたアシストトルクに基づいて所定のデューティ比を有するＰＷＭ信号を上スイッチング素子２３および下スイッチング素子２４に出力する。

コントローラ５は、上スイッチング素子２３および下スイッチング素子２４の一方をＯＮにして他方をＯＦＦにする状態と一方をＯＦＦにして他方をＯＮにする状態とを交互に繰り返すスタンバイ制御と、上スイッチング素子２３および下スイッチング素子２４の両方をＯＮにしてモータ４を駆動するモータ駆動制御と、を切り換え可能である。

モータ駆動制御は、運転者がステアリングホイールを操作したことでステアリングシャフト６にモータ４のアシストトルクを付与する必要があると判断された場合に行われる。

スタンバイ制御は、車両のイグニッションスイッチがオン状態となってコントローラ５が起動した場合に行われる。すなわち、車両運転中は、常にスタンバイ制御が行われており、運転者の操作に応じて適宜モータ駆動制御に切り換えられる。

スタンバイ制御が行われると、モータ４に所定の周期のステップ電圧が印加されるので、その後、モータ４によるアシストトルクが必要となった場合に速やかにモータ４を駆動させることができる。

モータ制御装置２０は、さらに、下アーム２２の下スイッチング素子２４よりモータ４側に介装される電流検出用抵抗２５と、電流検出用抵抗２５に生じる電圧降下を検出し増幅して出力する差動アンプ２６と、を備える。

電流検出用抵抗２５はモータ４に直列に接続される。差動アンプ２６は、電流検出用抵抗２５の両端にそれぞれ接続されるプラス入力端子２６ａおよびマイナス入力端子２６ｂと、コントローラ５に接続される出力端子２６ｃと、を有する。差動アンプ２６は、プラス入力端子２６ａとマイナス入力端子２６ｂとの電位差を増幅し、出力端子２６ｃを介してコントローラ５へ送信する。

電流演算手段としてのコントローラ５は、差動アンプ２６から受信した値に基づいて電流検出用抵抗２５に流れる電流値を推定する。電流値は、予め実験などによって求めておいた差動アンプ２６の出力値と電流値との関係を規定したマップに基づいて推定される。

コントローラ５は、上記のように推定した電流値が、モータ４がアシストトルクを発揮するために必要なモータ電流値の目標値となるように、ＰＷＭ信号のデューティ比をフィードバック制御する。

以下、コントローラ５によるＰＷＭ信号の出力およびモータ電流値の演算について説明する。なお、説明の簡略化のためフィードバック制御については省略する。

図３は、コントローラ５の処理内容を示すフローチャートである。

ステップＳ１においてコントローラ５は、コントローラ５の電源がＯＮであるか否かを判定する。コントローラ５の電源がＯＮであると判定されると処理がステップＳ２へ進み、ＯＦＦであると判定されると本ステップが再度行われる。運転者が車両のイグニッションスイッチをＯＮにしてコントローラ５が起動された時、コントローラ５の電源がＯＮであると判定される。

ステップＳ２においてコントローラ５は、スタンバイ制御を行う。すなわち、コントローラ５は、上スイッチング素子２３および下スイッチング素子２４の一方をＯＮにして他方をＯＦＦにする状態と一方をＯＦＦにして他方をＯＮにする状態とを交互に繰り返す。

ステップＳ３においてコントローラ５は、差動アンプ２６からオフセット値を取得する。オフセット値は、この時点における差動アンプ２６の出力値である。

ここで、オフセット値について説明する。

ステップＳ２においてスタンバイ制御が開始されると、モータ４に所定の周期のステップ電圧が印加される。スタンバイ制御では上スイッチング素子２３と下スイッチング素子２４とが同時にＯＮすることはないので、モータ４が駆動されるほど電流が流れることはない。

しかし、上スイッチング素子２３と下スイッチング素子２４とを順にＯＮ／ＯＦＦ動作させるので、電流検出用抵抗２５には常にステップ電圧が印加された状態となる。したがって、差動アンプ２６の出力値は、入力オフセット電圧および同相信号除去比の影響を含んだ値となる。

図４Ａは、入力オフセット電圧について説明するための図であり、横軸が入力電圧を示し、縦軸が出力オフセット値を示している。

入力電圧は差動アンプ２６のプラス入力端子２６ａとマイナス入力端子２６ｂとの電位差であり、出力オフセット値は入力電圧からのズレ量である。図４Ａに示すように、差動アンプ２６の出力値は、入力電圧に出力オフセット値を加算した値として出力される。したがって、差動アンプ２６の出力値は、入力電圧に応じて微小な誤差を含むことになる。

図４Ｂおよび図４Ｃは、同相信号除去比について説明するための図であり、各図とも上段が入力電圧の時間変化を示し、下段が出力電圧の時間変化を示している。

図４Ｂに示すように、差動アンプ２６の入力電圧がステップ的に上昇すると、差動アンプ２６の出力値が上下に変動してノイズが出力される。同様に、図４Ｃに示すように、差動アンプ２６の入力電圧がステップ的に下降すると、差動アンプ２６の出力値が上下に変動してノイズが出力される。差動アンプ２６のノイズはステップ電圧の周波数に応じて変化する値であり、周波数が高いほどノイズの影響が大きくなる。

このように、差動アンプ２６の出力値は、プラス入力端子２６ａおよびマイナス入力端子２６ｂにステップ電圧が印加されていると、入力オフセット電圧および同相信号除去比の影響を受けた分だけ入力値からオフセットする。このオフセット量を含む値が前述のオフセット値に相当する。

図３に戻って、ステップＳ３においてコントローラ５は、電流検出用抵抗２５に電流は流れていないがステップ電圧を印加したことによって差動アンプ２６から出力される値をオフセット値として取得する。

図５は、スタンバイ制御時における差動アンプ２６の出力値の時間変化を示すタイムチャートである。

差動アンプ２６の出力端子２６ｃとコントローラ５との間には、図示しない抵抗とコンデンサから成るローパスフィルタが配置されるので、差動アンプ２６の出力値の波形は、ステップ電圧のような矩形波ではなく、出力値が電圧の印加時にステップ的に上昇した後、徐々に低下する波形となる。

図５に示すように、差動アンプ２６の出力値は時間とともに変化するが、コントローラ５が差動アンプ２６から出力値を取得する周期とステップ電圧の周期とは等しいので、スタンバイ制御時に取得されたオフセット値は取得のタイミングにかかわらずほぼ一定である。

図３に戻って、ステップＳ４においてコントローラ５は、モータ４のアシストトルクが必要であるか否かを判定する。アシストトルクが必要であると判定されると処理がステップＳ５へ進み、アシストトルクが不要であると判定されると処理がステップＳ６へ進む。運転者がステアリングホイールを操作してステアリングシャフト６にアシストトルクを付与する必要がある場合、アシストトルクが必要であると判定される。

ステップＳ５においてコントローラ５は、モータ駆動制御を行う。すなわち、コントローラ５は、上スイッチング素子２３および下スイッチング素子２４の両方をＯＮにしてモータ４を駆動する。

モータ駆動制御では、モータ４がアシストトルクを発揮するために必要なモータ電流値の目標値と、差動アンプ２６から出力された値に基づいてコントローラ５によって演算された電流値と、が等しくなるようにＰＷＭ信号のデューティ比がフィードバック制御される。

コントローラ５は、差動アンプ２６から出力された値からステップＳ３において取得されたオフセット値を減算した値に基づいてモータ駆動制御時の電流値の演算を行う。

ステップＳ６においてコントローラ５は、コントローラ５の電源がＯＦＦであるか否かを判定する。コントローラ５の電源がＯＦＦであると判定されると処理が終了し、ＯＮであると判定されると処理がステップＳ４へ戻る。運転者が車両のイグニッションスイッチをＯＦＦにした時、コントローラ５の電源がＯＦＦであると判定される。

以上の制御をまとめると、コントローラ５が起動した後、スタンバイ制御が開始されてから差動アンプ２６の出力値をオフセット値として取得する。その後、スタンバイ制御が継続され、モータ４のアシストトルクが必要になった時だけモータ駆動制御が行われる。モータ駆動制御時の電流値は、差動アンプ２６から出力された値からオフセット値を減算した値に基づいて演算される。

これにより、差動アンプ２６の出力誤差の影響を加味して電流値を演算することができるので、電流検出用抵抗２５を流れる電流値を精度よく検出することができる。よって、ＰＷＭ信号のデューティ比のフィードバック制御を精度よく行うことができ、適切なアシストトルクをステアリングシャフト６に付与することができる。

以上の実施形態によれば、以下に示す効果を奏する。

スタンバイ制御時に差動アンプ２６から出力された値をオフセット値として取得しておき、モータ駆動制御時に差動アンプ２６から出力された値とオフセット値とに基づいて電流検出用抵抗２５に流れる電流を演算するので、スタンバイ制御によってステップ電圧が印加されている時に生じる差動アンプ２６の特性による検出値の誤差を考慮して、電流検出用抵抗２５に流れる電流を演算することができる。よって、モータ制御装置２０の回路内の電流値を精度よく検出することができる。

さらに、コントローラ５は、モータ駆動状態である場合に差動アンプ２６から出力された値からオフセット値を減算した値に基づいて電流検出用抵抗２５に流れる電流を演算するので、スタンバイ制御によってステップ電圧が印加されている場合の差動アンプ２６の出力値を基準として電流検出用抵抗２５に流れる電流を演算することができる。よって、モータ制御装置２０の回路内の電流値をさらに精度よく検出することができる。

さらに、モータ４は電動パワーステアリング装置１のアシストモータとして用いられるので、モータ制御装置２０の回路内の電流値の検出精度が向上することで、より適切なアシストトルクをステアリングシャフト６に付与することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一つを示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、上記実施形態では、モータ制御装置２０を例示したが、モータ４に代えてソレノイド等の負荷の制御装置に適用してもよい。

さらに、上記実施形態では、電動パワーステアリング装置１のモータ制御装置２０について例示したが、その他の装置に用いられるモータ４の制御装置に適用してもよい。

さらに、上記実施形態では、コントローラ５は、差動アンプ２６から出力された値からオフセット値を減算した値に基づいてモータ駆動制御時の電流値の演算を行っているが、これに代えて、オフセット値ごとに用意されるマップを参照して差動アンプ２６の出力に基づいて電流値を演算してもよい。

さらに、上記実施形態では、コントローラ５がモータ４の出力を制御するとともに電流値を推定しているが、モータ制御用のコントローラと電流値推定用のコントローラとを別々に設けてもよい。

さらに、上記実施形態では、モータとして３相交流モータを例示したが、その他の種類のモータであってもよい。

図６はステアリングバイワイヤシステムの構成図である。ステアリングバイワイヤシステムは、機械系として、ステアリングホイール１０１と、ステアリングフォースアクチュエータ１０２と、ステアリングクラッチ１０３と、転舵アクチュエータ１０４と、左右前輪（転舵輪）（つまり、左前輪１０５および右前輪１０６）と、を備えている。ステアリングクラッチ１０３は、電磁クラッチ構造であり、ステアリングフォースコントロールモジュール１０７（図示せず）から通電されるとクラッチ解放とされ、上下のステアリングシャフト１１１，１１２が切り離される。なお、システム保護モード時やシステム異常時には、ステアリングフォースコントロールモジュール１０７からの通電が遮断されてクラッチが結合し、上下のステアリングシャフト１１１，１１２を機械的に連結させる。転舵アクチュエータ１０４は、左右前輪（左前輪１０５および右前輪１０６）を転舵可能なアクチュエータであり、メイン転舵モータ１１３と、サブ転舵モータ１１４と、ステアリングギア機構１１５と、を有する。

なお、メイン転舵モータ１１３は、三相交流モータであり、メイン転舵角コントロールモジュール１０８（図示せず）からの駆動電流によって操舵トルクを発生させる。サブ転舵モータ１１４は、三相交流モータであり、サブ転舵角コントロールモジュール１０９（図示せず）からの駆動電流によって操舵トルクを発生させる。ステアリングギア機構１１５は、ピニオントルクをラック軸力に変換し、ナックルアームを回転させ、左前輪１０５と右前輪１０６の向きを変える。前述の負荷制御を、ステアリングフォースアクチュエータ１０２に適応するようにしても良い。

以上、図面を参照しながら各種の実施の形態について説明したが、本開示はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例、修正例、置換例、付加例、削除例、均等例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した各種の実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。

本開示は、回路内の電流値を精度よく検出することが可能なステアリングバイワイヤシステムおよびステアリングバイワイヤ制御方法として有用である。

１ 電動パワーステアリング装置
２ 操舵機構
４ モータ
５ コントローラ
６ ステアリングシャフト
１１ 電源
２０ モータ制御装置
２１ 上アーム
２２ 下アーム
２３ 上スイッチング素子
２４ 下スイッチング素子
２５ 電流検出用抵抗
２６ 差動アンプ
１０１ ステアリングホイール
１０２ ステアリングフォースアクチュエータ
１０３ ステアリングクラッチ
１０４ 転舵アクチュエータ
１０５ 左前輪
１０６ 右前輪
１１３ メイン転舵モータ
１１４ サブ転舵モータ
１１５ ステアリングギア機構

Claims (4)

1. 電源と負荷との間を接続する上アームおよび下アームにそれぞれ介装されるスイッチング素子をＰＷＭ信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦ動作させることで前記負荷を駆動する負荷制御手段と、
   前記負荷に直列に接続される電流検出用抵抗と、
   前記電流検出用抵抗に生じる電圧降下を検出するとともに増幅して出力する差動アンプと、
   前記差動アンプの出力値に基づいて前記電流検出用抵抗に流れる電流を演算する電流演算手段と、を備え、
   前記負荷制御手段は、前記スイッチング素子の一方をＯＮにして他方をＯＦＦにする状態と一方をＯＦＦにして他方をＯＮにする状態とを交互に繰り返すスタンバイ状態と、前記スイッチング素子の両方をＯＮにして前記負荷に電流を流す駆動状態と、を切り換え可能であり、
   前記電流演算手段は、前記スタンバイ状態である場合に前記差動アンプから出力された値をオフセット値として設定し、前記駆動状態である場合に前記差動アンプから出力された値と前記オフセット値とに基づいて前記電流検出用抵抗に流れる電流を演算するステアリングフォースアクチュエータ、を備える、
   ステアリングバイワイヤシステム。
2. 前記電流演算手段は、前記駆動状態である場合に前記差動アンプから出力された値から前記オフセット値を減算した値に基づいて前記電流検出用抵抗に流れる電流を演算するステアリングフォースアクチュエータを備える、
   請求項１に記載のステアリングバイワイヤシステム。
3. ステアリングシャフトの回転に伴って車輪を操舵させる操舵機構と、
   前記操舵機構にアシストトルクを付与する電動モータと、をさらに備え、
   前記負荷制御手段の前記負荷は前記電動モータである、ステアリングフォースアクチュエータを備える、
   請求項１または２に記載のステアリングバイワイヤシステム。
4. 電源と負荷との間を接続する上アームおよび下アームにそれぞれ介装されるスイッチング素子をＰＷＭ信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦ動作させることで、前記負荷を駆動するステアリングフォースアクチュエータにより実行されるステアリングバイワイヤ制御方法であって、
   前記ステアリングフォースアクチュエータは、
   前記負荷に直列に接続される電流検出用抵抗と、
   前記電流検出用抵抗に生じる電圧降下を検出するとともに増幅して出力する差動アンプと、を備え、
   前記スイッチング素子の一方をＯＮにして他方をＯＦＦにする状態と一方をＯＦＦにして他方をＯＮにする状態とを交互に繰り返すステップと、
   前記差動アンプから出力された値をオフセット値として設定するステップと、
   前記スイッチング素子の両方をＯＮにして前記負荷に電流を流すことで前記負荷を駆動するステップと、
   前記差動アンプから出力された値と前記オフセット値とに基づいて、前記電流検出用抵抗に流れる電流を演算するステップと、を実行する、
   ステアリングバイワイヤ制御方法。

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