JP2024507085A - アクティブ／セミアクティブなステアバイワイヤシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

ステアバイワイヤシステムの一部として、ヒューマンマシンインターフェースのステアリング入力デバイスにタクティールフィードバック制御を提供する、合わせられたブレーキとモータとが提供される。ブレーキは、タクティールフィードバックデバイス（ＴＦＤ）ブレーキであり、モータは、このブレーキに結合された電気モータである。ブレーキは、エンドストップ制御および抵抗性トルクをステアバイワイヤシステムに提供する。モータはモーション制御をステアバイワイヤシステムに提供し、ここで、モーション制御は、中心に戻る、コマンドに追従する、中心上の制御、アクティブな力の感触、および／またはワーニングモード（たとえば、航空機の失速警報装置またはレーン逸脱に類似している）を含んでいる。ステアバイワイヤシステムはアクティブシステムである。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０２１年２月５日に出願された米国仮出願第６３／１４６，２７７号の優先権を主張する。この出願は、参照することによって本明細書に組み込まれる。

本明細書の主題は概して、抵抗性トルク生成デバイスおよびモータ制御の分野に関する。より詳細には、本明細書の主題は、ヒューマンマシンインターフェースのためのアクティブ／セミアクティブなステアバイワイヤ制御を提供するために、モータに関して使用されるタクティールフィードバックデバイス（ＴＦＤ）ブレーキに関する。

既存のタクティールフィードバックデバイス（ＴＦＤ）は、ステアバイワイヤアプリケーションのためのステアリングポジションの出力およびセミアクティブなトルクフィードバックのために使用される場合がある。ＴＦＤブレーキは、ステアリングポジションを測定するための１つまたは複数のセンサと、ブレーキトルクを生成するために、磁気流体学的流体（ＭＲ流体）などの磁気反応性（ＭＲ）媒体または磁気反応性パウダー（ＭＲパウダー）を作動させるコイルと、を通常は含んでいる。集合的にタクティールフィードバックコントロールユニット（ＴＦＣＵ）と称される、内蔵マイクロコントローラと、位置センサ（複数の場合もある）と、アンプリファイアと、を含むＴＦＤは、外部の車両コントローラと通信して、位置を通信するとともに、ブレーキの感触を制御することができる。ＴＦＤは、エンドストップ制御および可変抵抗性トルクを提供することが得意である。しかし、ＴＦＤは、中心に戻る、コマンドに追従する、中心上の制御、アクティブ力感触、またはワーニングモード（たとえば、航空機の失速警報装置に類似している）などのアクティブな特徴を提供することが不可能である。反対に、アクティブ制御のために使用されるモータは、細かくモーション制御されるアクティブな特徴を提供することが得意であるが、不十分なエンドストップ制御、ブレーキング、および抵抗性トルクを提供する。ＴＦＤに見られるものと均等なトルクを得るためにモータを使用し、そのモータにエンドストップ制御、ブレーキング、および／または抵抗性トルクを提供させることを試みる場合、モータは、ブレーキに比べて非常に大きいサイズでなければならず、そのトルクを達成するために非常に高いレベルの電流を使用しなければならない。ステアバイワイヤシステムとして、抵抗性ブレーキトルクに対処するために十分なトルクを有するモータのみを使用することにより、モータは非常に大型であり、ピークトルクを超えるように、ステアリング入力デバイスを介して人間が制御することがほぼ不可能である。

本解決策は、ＴＦＣＵによって制御されるタクティールの感触とシャフトモーションとの両方を生成することが可能なステアバイワイヤシステムとして、ＴＦＤブレーキと比較的小さいモータとの組合せを提供することである。この解決策では、ＴＦＤとモータとは、それらの強度を最大化するように、かつ、人間のオペレーターのためにパフォーマンスを最適化させるように、ともに動作する。

ステアバイワイヤシステムの一部として、ヒューマンマシンインターフェースのステアリング入力デバイスにタクティールフィードバック制御を提供する、合わせられたブレーキとモータとが本発明で提供される。ブレーキは、タクティールフィードバックデバイス（ＴＦＤ）ブレーキであり、モータは、このブレーキに結合された電気モータである。ブレーキは、エンドストップ制御および抵抗性トルクをステアバイワイヤシステムに提供する。モータはモーション制御をステアバイワイヤシステムに提供し、ここで、モーション制御は、中心に戻る、コマンドに追従する、中心上の制御、アクティブ力感触、および／またはワーニングモード（たとえば、航空機の失速警報装置またはレーン逸脱に類似している）を含んでいる。ステアバイワイヤシステムはアクティブシステムである。

一態様では、ステアリングレスポンスを提供するステアバイワイヤシステムが提供される。本システムは、ブレーキと、モータと、シャフトと、少なくとも１つの位置センサと、少なくとも１つのマイクロコントローラとを備えている。モータはブレーキに結合されている。シャフトはブレーキおよびモータに結合されている。少なくとも１つの位置センサは、シャフトの角度位置を提供することが可能である。少なくとも１つのマイクロコントローラは、ステアリングレスポンスを形成するように、モータおよびブレーキに入力を提供するために適切なプログラミングを含んでおり、ブレーキ、モータ、および位置センサは、マイクロコントローラと電子通信している。

別の態様では、車両のステアリングレスポンスを提供する方法が提供される。本方法は、オペレーターが車両を運転することを含み、この運転は、オペレーターが車両ステアリングシステムを操舵することを含み、車両ステアリングシステムに少なくとも１つのステアリング入力を提供するように、オペレーターによってシャフトを回転させることと、少なくとも１つのステアリング入力をステアバイワイヤシステムで電子ステアリングコマンドに変換することと、ステアリング角度位置を少なくとも１つのマイクロコントローラからステアリングコントローラに通信することと、オペレーターにセミアクティブタクティールフィードバックを提供することであって、セミアクティブタクティールフィードバックは、直接接続ステアリングシステムをシミュレートするステアリングレスポンスを形成する、提供することと、を含んでいる。車両ステアリングシステムは、ステアリングレスポンスを提供することが可能であるステアバイワイヤシステムを有し、ステアバイワイヤシステムは、ブレーキと、ブレーキに結合されたモータと、ブレーキまたはモータに結合されたシャフトと、シャフトの角度位置信号を生成および提供することが可能な少なくとも１つの位置センサと、ステアリングレスポンスを形成するように、モータおよびブレーキに入力を提供することが可能である少なくとも１つのマイクロコントローラであって、ブレーキ、モータ、および位置センサが、少なくとも１つのマイクロコントローラと電子通信している、少なくとも１つのマイクロコントローラと、を含んでいる。

少なくとも１つの実施形態に係るステアバイワイヤシステムの概略図である。 モータがタクティールフィードバックデバイス（ＴＦＤ）ブレーキと一列に並んで結合されているステアバイワイヤシステムの構成の斜視図である。 モータがＴＦＤドラムブレーキと一列に並んで結合されているステアバイワイヤシステムの異なる構成の斜視図である。 図２ＡからのＴＦＤブレーキおよびモータの側面図である。 図２ＢからのＴＦＤブレーキおよびモータの側面図である。 一列に結合されたモータを有するＴＦＤディスクブレーキの側面図である。 ステアバイワイヤシステムに取り付けられたステアリング入力デバイスの実施例を示す図である。 ステアバイワイヤシステムに取り付けられたステアリング入力デバイスの実施例を示す図である。 ステアバイワイヤシステムに取り付けられたステアリング入力デバイスの実施例を示す図である。 ステアバイワイヤシステムに取り付けられたステアリング入力デバイスの別の実施例を示す図である。 ステアバイワイヤシステムに取り付けられたステアリング入力デバイスの別の実施例を示す図である。 ステアバイワイヤシステムに関する電子通信の図である。 ステアバイワイヤシステムを使用して人為的感触を形成する方法を示す図である。 感触のアルゴリズムに関するプロセスのフロー図である。 モーションのアルゴリズムに関するプロセスのフロー図である。 電流のアルゴリズムに関するプロセスのフロー図である。 トルク対電流のプロットの図である。

現在のタクティールフィードバックデバイス（ＴＦＤ）は、磁気流体学的流体（ＭＲ流体）または磁気反応性パウダー（ＭＲパウダー）を含むブレーキが優位を占めており、ステアリングポジションの出力およびステアバイワイヤアプリケーションのためのセミアクティブなトルクフィードバックのために使用される。これらデバイスは、ステアリングポジションを測定するための１つまたは複数のセンサと、ブレーキトルクを生成するためにＭＲ流体またはＭＲパウダーを作動させるブレーキコイルとを含んでいる。本明細書に開示される場合、ＴＦＤは、デバイスの「オフ状態」のトルクを少なくとも超えるように、モータに結合されている。この最小のトルクは、中心に戻る、コマンドに追従する、中心上の制御、アクティブ力感触、またはワーニングモードなどのモーション制御を提供するために必要なトルクである。

本明細書に開示の実施形態では、ブレーキは、ヒューマンマシンインターフェースに関するステアバイワイヤ制御を提供するように、モータと合わせられている。この組合せは、アクティブハイブリッドステアバイワイヤシステムと称される場合がある。

多くのケースでは、ヒューマンマシンインターフェースは、ホイールまたはヨークなどのステアリング入力デバイスであるが、このヒューマンマシンインターフェースは、コントロールスティックまたはジョイスティック、および、人間からの入力を制御することができ、かつタクティールフィードバックを必要とすることができる任意の他のデバイスとすることもできる。

以下に記載のブレーキはＴＦＤブレーキであるが、本システムは、エンドストップ制御、ブレーキング、および／または抵抗性トルクを提供することが可能である任意のブレーキを使用することができる。このため、本明細書におけるＴＦＤブレーキの使用は、ブレーキの代表的なタイプであることのみを意図しており、ＴＦＤブレーキ、またはＭＲＴＦＤブレーキのみに限定することは意図していない。

図１から図７Ｂを参照すると、概してデバイス１０またはステアバイワイヤシステム１０と称され、図１０および図１１ではＳＢＷとして識別されているステアバイワイヤシステムは、ブレーキ１２と、モータ１４と、シャフト１６と、少なくとも１つの位置センサ１８と、少なくとも１つのマイクロコントローラ２２とを含んでいる。モータ１４はブレーキ１２に結合されている。シャフト１６は、ブレーキ１２、モータ１４、またはブレーキ１２とモータ１４との両方に結合されている。位置センサ１８は、シャフト１６の角度位置を提供するように配置されている。マイクロコントローラ２２は、ブレーキ１２、モータ１４、およびセンサ１８と電子通信しており、所望のタクティールフィードバックをオペレーターに提供するための必要な計算およびコマンドを実行するために適切なプログラミングを包含している。マイクロコントローラ２２は、ブレーキ１２およびモータ１４への入力の制御を提供することが可能である。マイクロコントローラ２２は、シャフト１６の回転を動的に制御するために適切なモータ１４に基準入力を通信することができる。集合的に、マイクロコントローラ２２、位置センサ１８、およびアンプリファイア２４は、タクティールフィードバックコントロールユニット（ＴＦＣＵ）２６を形成する。ＴＦＣＵ２６は、タクティール感触に関する感触およびモーションの制御アルゴリズムを実行し、外部コントローラとの通信を規定する。例示的な感触のアルゴリズムは図１０に提供されており、例示的なモーションのアルゴリズムは図１１に提供されている。

シャフト１６は、直接的または間接的にステアリング入力デバイス２８に結合されている。マイクロコントローラ２２は、ステアリングコントローラ３０、車両コントローラ３２、および／またはＣＡＮバス３４（コントローラエリアネットワークバス）と電子通信している。代替的には、マイクロコントローラ２２は、ステアリングコントローラ３０および／または車両コントローラ３２と、ＣＡＮバス３４を介して電子通信している。マイクロコントローラ２２は、ステアリングコントローラ３０および／または車両コントローラ３２からの電子通信を、直接的に、またはＣＡＮバス３４を介して受信することができる。ステアリングコントローラ３０および／または車両コントローラ３２は、集合的に外部コントローラと称される。

任意のモータ１４をこの用途に使用することができるが、フレームレスなブラシレス直流モータ（ＢＬＤＣ）が、本明細書では許容可能な解決策として言及される。しかし、ＢＬＤＣモータの使用は、本発明をＢＬＤＣモータのみに限定することは意図していない。ＢＬＤＣモータ１４のフレームレスの設計により、ブレーキ１２と一列に並んだ状態で、容易に機械的に組み込むことが可能になり、一方、ブラシレスの設計により、長い耐用年数および少ないメンテナンスが確実になる。ブレーキ１２と合わせられると、モータ１４は、シャフト１６を動的に制御するように配置される。

モータの制御は、適切な通信電子機器とともに、位置センサ１８からの出力（複数の場合もある）を使用して実施される。モータ１４は、モータローター６４およびステーター６６、ならびに少なくとも１つの巻回コイル（図示せず）を含んでいる。モータローター６４は、シャフト１６とともに回転する。このシャフト１６は、モータローター６４を貫通しているか、またはモータローター６４と接続されている。少なくとも１つの巻回コイルを通して可変電流を送ることが可能な少なくとも１つのオプションのアンプリファイア２４が使用される場合がある。同じであるか異なるオプションのアンプリファイア２４が、ブレーキ１２に対して信号を送受信するように使用される場合がある。

図１から図４に示す実施形態では、ブレーキ１２はモータ１４と結合されている。この結合は、図１から図４では、モータ１４の下のブレーキ１２と一列に並んで、ブレーキ１２とモータ１４との両方の中心線に沿って図示されている。しかし、モータ１４は、ブレーキ１２と一列に並んで、このブレーキ１２の上に配置されている場合もある。さらに、モータ１４は、ブレーキ１２に対して外部に配置される、すなわち、ブレーキ１２に対してオフセットして配置される場合がある。したがって、図示の実施形態は、非限定的であり、もっぱら例示的目的であることが意図されている。すべての実施形態では、モータ１４は、ステアバイワイヤシステムのオフ状態のトルクを少なくとも超えるために十分なトルクを発生させることが可能である。「オフ状態」との用語は、ブレーキコイル内の励起電流がゼロの状態でのアセンブリ内の最小の摩擦トルクに関する。この最小の摩擦トルクは、ベアリング内、シール内、およびエネルギーが与えられていないＭＲ材料とブレーキ表面との間の摩擦を主として含んでいる。

ブレーキ１２は、ＴＦＤブレーキ、ドラムブレーキ、ディスクブレーキ、摩擦ブレーキ、電磁ブレーキ、またはこれらの組合せである場合がある。もっぱら図示の目的のために、図２Ａから図４は、ＭＲ材料３６を使用したＴＦＤドラムブレーキ１２を図示している。図３および図４を参照すると、ＴＦＤドラムブレーキ１２は、シャフト１６、ドラムローター４０、ブレーキコイル４４を有するコア４２、ポールリング４８、ＭＲ材料３６、上側シール５０、および下側シール５２を内部に囲むハウジング３８を有している。ハウジング３８は、ハウジング壁５４を含んでいる。ハウジング壁５４は、ハウジング頂部５６およびハウジング底部５８を含んでいる。ハウジングキャップ６０は、ハウジング頂部５６に固定されている。ハウジングキャップ６０は、非磁性材料（たとえば、６２８８６１－Ｔ６アルミニウムまたは類似の材料）で形成されている。

いくつかの実施形態では、ハウジング３８は、ハウジング３８の内部に配置されたモータ１４の少なくとも一部を有している。図３および図４に示すように、モータハウジング６２は、ハウジング底部５８に固定されており、モータローター６４およびステーター６６を囲んでいる。代替的には、モータローター６４およびステーター６６は、ハウジング３８内に囲まれている。非限定的な構成では、センサハウジング６８は、モータハウジング底部５８に固定され、ＴＦＤドラムブレーキ１２およびモータ１４のための少なくとも１つのマイクロコントローラ２２を包含している。

シャフト１６は、ハウジング３８内およびモータハウジング６２内に回転可能に配置されている。いくつかの実施形態では、シャフトアダプター７２は、モータローター６４およびステーター６６がシャフト１６の外側に配置された状態でシャフト１６を支持している。図示のように、シャフト１６は、シャフトアダプター７２とともに、上側ベアリング７４および下側ベアリング７６によって回転可能に支持されている。ＴＦＤドラムブレーキ１２の構成では、シャフト１６は、このシャフト１６に取り付けられるとともに、このシャフト１６から径方向外側に延びる回転ディスク７８を有している。ドラムローター４０は、回転ディスク７８の端部８０において回転ディスク７８に接続されており、シャフト１６とともに回転する。図３および図４に示すように、ドラムローター４０は、端部８０から径方向外側に延び、シャフト１６に対して平行かつ回転ディスク７８に対して垂直に曲がる前は、シャフト１６に対して垂直である。任意選択的には、回転ディスク７８は径方向外側に延びることができ、ドラムローター４０は、シャフト１６に対して平行にすることができる。さらに、ドラムローター４０および回転ディスク７８は、シャフト１６に直接固定された単一の構成要素とすることができる。

この構成では、ＴＦＤドラムブレーキ１２は、ブレーキング、エンドストップ制御、および抵抗性トルクを提供する。ブレーキ１２は、５ニュートンメートルから２５ニュートンメートルの間のピークの抵抗性の力を提供することができるが、一般的に望まれるピークの抵抗性の力は、ＴＦＤシステムの用途に応じて変化することになる。モータ１４は、中央に戻る、コマンドに追従する、中心上の制御、アクティブ力感触、またはワーニングモード（たとえば、航空機の失速警報装置またはレーン逸脱に類似している）を含むようにモーション制御を提供する。一実施形態では、ワーニングモードは、振動のフィードバックを生成するために、シャフト１６へのアクティブな脈動入力を伴い、特定の警告または異常な車両状況を示す。モータ１４は、コマンドに追従する用途のために使用することもできる。たとえば、車両が、全地球測位システムにガイドされたナビゲーションを使用して自律的に操舵されている場合、ステアリング入力デバイス２８の動きは、実際の車両の動きに追従することになる。同様に、２つのステアリング入力ステーションを有するボートで使用される場合、使用されていないステアリング入力ステーションの動きは、使用中のステアリング入力ステーションと同調される。この方法で、２つのステアリング入力デバイス２８の動きがマッチする。

モータ１４は、約０．５ニュートンメートルから約５ニュートンメートルの間の力を提供することが可能である。同様に、モータ１４は、ブレーキ１２に関する最大の可能な抵抗性ブレーキトルクの約０．０１％から約２５．０％の間のオフ状態のブレーキトルクレベルを超える力を提供することが可能である。この構成におけるデバイス１０は、モータ１４からの、ステアリング入力デバイスにおいて生成されるトルクの量を制限し、また、このトルクがオペレーターを圧倒し得ないことから、ステアバイワイヤの用途には安全である。ステアバイワイヤシステム１０は、人為的なステアリングレスポンスをオペレーターに、ステアリング入力デバイス２８を通して提供する。

マイクロコントローラ２２は、ＴＦＤブレーキ１２とモータ１４との両方を制御する。位置センサ１８は、マイクロコントローラへの、シャフト１６の角度位置の通信を提供する。さらなるセンサ（図示せず）も、ブレーキ１２、モータ１４、およびシャフト１６の情報をマイクロコントローラ２２に通信する場合がある。マイクロコントローラ２２は、ブレーキ１２とモータ１４との両方にわたる制御を提供する単一のマイクロコントローラである場合がある。代替的には、マイクロコントローラ２２は、少なくとも１つがブレーキ１２の制御を担い、１つがモータ１４の制御を担う、２つのさらなるマイクロコントローラ２２である場合がある。

位置センサ１８は、１つまたは複数のセンサを備えている。位置センサ１８は、絶対位置センサ、光学的位置センサ、ホール効果センサ、エンコーダ、リゾルバ、またはこれらの組合せである場合がある。位置センサ１８は、シャフト１６の角度位置を測定し、これら測定値をマイクロコントローラ２２に通信することが可能である。位置センサ１８は、ステアリングコントローラ３０および／または車両コントローラ３２などの外部コントローラと、直接電子通信、間接電子通信、または直接電子通信と間接電子通信との両方をしている場合がある。外部コントローラは、ステアバイワイヤシステム１０内でマイクロコントローラ２２から離間している。当業者に知られているように、センサ１８の記載されているバージョンの各々は、シャフト１６の端部のロケーションポイントを「読み取る」ことになる。たとえば、ホール効果センサ１８を使用する場合、磁石１９がシャフト１６の端部に配置されることになる。

一実施形態では、位置センサ１８は非接触のセンサである。オペレーターがステアリング入力デバイス２８を操作していない場合、センサの測定値は、発展したモーション制御アルゴリズムとともにマイクロコントローラ２２によって使用されて、シャフト１６の回転を制御し、アイドリング状態では、シャフト１６を中心に戻す。適切なモーション制御アルゴリズムの実施例が図１１に提供されている。センサの測定値は、１つまたは複数の異なる通信技術（たとえば、アナログ、ＰＷＭ、デジタル）によってステアリングコントローラ３０および／または車両コントローラ３２に送信することもできる。

２つ以上の位置センサ１８を伴う実施形態では、位置センサ１８は、約－５度から約＋５度の間の誤差限界内にあるシャフト１６の角度位置を提供することが可能である。より精錬されたデバイス１０に関しては、位置センサ１８は、約±３度の誤差限界内にあるシャフト１６の角度位置、または、少なくとも±１度の誤差限界内にあるシャフト１６の角度位置を提供することができる。各センサ１８の位置は、システムに必要な正確さの度合いを提供するように選択されることになり、たとえば、１つのセンサ１８が、マイクロコントローラを支持するプリント回路基板の上面に置かれ、１つのセンサ１８がプリント回路基板の下に置かれる。一実施形態では、開示のステアバイワイヤシステム１０は、位置センサ１８をサポートするか駆動させるために、シャフト１６と位置センサ１８との間にギアパックまたはギアのアセンブリを必要としない。結果として、開示の発明では、位置センサ１８は、シャフト１６の軸上かつ、シャフト１６と一列になっている場合がある。位置センサ１８をシャフト１６の軸上に配置することにより、センサアセンブリの複雑さが低減され、それにより、潜在的な故障モードの数および機械的ノイズを低減させる。さらに、構成要素の構成により、製造の効率が提供される。しかし、位置センサ１８の軸を外れた位置も、ステアバイワイヤシステム１０において十分に動作することになる。

動作時には、モータ１４は、オペレーターのための人為的なステアリングレスポンスを、ステアリング入力デバイス２８を通して印可するように入力を提供することが可能である。この入力には、中心に戻る、アラートワーニング、中間感触、アクティブ力感触、ホイールの摩擦の感触、ホイールのスリップの感触、および／または２つ以上のステアリングの同調が含まれる。２つ以上のステアリングの同調は、同調した動作および反応を有するように、ともに同調される２つ以上のステアリング入力デバイス２８が存在することを意味している。

図３および図４に示す代表的な実施形態では、コア４２とドラムローター４０との間に２つと、ドラムローター４０とポールリング４８との間に２つとの、４つのせん断面が存在する。ブレーキ１２が、ＭＲ材料３６を使用するＴＦＤブレーキである場合、一体型コイル４４は、磁界が印可されると、ＭＲ材料３６にエネルギーを与える／作動させることが可能である。電流の印可によって磁界が生成され、この磁界は、次いで、ＭＲ材料３６内に見られる磁気反応性粒子を整列させる。これにより、ＭＲ材料３６が、４つの面すべてでせん断される。せん断により、抵抗性トルクが生じる。さらに、印可される電流の量により、抵抗性トルクの量が制御される。ＭＲ材料３６が、電流の印可によって作動されるとともに制御される場合、ブレーキ１２は、良好に制御される中間レンジのトルク、または、可能である最大のトルクを移動の最後に生成する。図１３は、ブレーキコイル４４への電流がゼロアンペアから１．５アンペアへ増大される際の、ブレーキ１２によって生成される抵抗性トルクの実施例を示している。結果としてのカーブに示されるように、生成されるトルクは、ブレーキコイル４４への電流の印可の増大とともに連続して増大する。電流の変化に伴うトルクの推移は、ステアバイワイヤシステム１０のユーザーが経験する抵抗性トルクのスムーズな制御に変換される。トルクカーブに関する正常な動作レンジは、ステアバイワイヤシステム１０の用途に応じて変化することになる。

マイクロコントローラ２２は、ブレーキ１２およびモータ１４の制御を通して、可変タクティール感触を人間のオペレーターにステアリング入力デバイス２８を通して提供する。マイクロコントローラ２２は、ブレーキング、エンドストップ制御、およびブレーキ１２の抵抗性トルクを制御する。このことは、一体型コイル４４への電流を制御すること、および／またはコマンド入力をブレーキ１２に提供することによって達成され、ここで、コマンド入力は、トラベルストップの終了、通常の動作、および／または、ステアリングレスポンスに関連するアクションに対応する抵抗性の力を繰り返すブレーキングアクションを生成する。

さらに、マイクロコントローラ２２は、モーション制御を提供するように、モータ１４にコマンドを通信することもできる。たとえば、一実施形態では、マイクロコントローラ２２は、中心に戻る動作の能力を提供する。この実施形態では、位置センサ１８を使用するマイクロコントローラ２２は、中心位置から離れるステアリングシャフト１６の動作を検出し、シャフト１６を中心位置に戻すように、モータ１４にコマンドを提供する。同様に、マイクロコントローラ２２は、シャフト１６の角度位置を制御するために適切なモータ１４にコマンドを通信することができ、ワーニングコマンド／モードをシャフト１６に導入して、シャフト１６を振動させるか震えさせ、中心上の制御を提供する、および／または、シャフト１６に動的な力の感触の入力を提供する。

マイクロコントローラ２２は、デバイス１０によって使用されている電流から、シャフト１６が経るトルクを概算することができる。さらに、前述した制御操作を提供するために、マイクロコントローラ２２は、１つまたは複数の位置センサ１８からのシャフト１６の角度位置の測定値を受領および処理することができる。好ましくは、各位置センサ１８は、シャフト１６の軸と整列して位置している。

動作時には、マイクロコントローラ２２は、シャフト１６にモーション制御入力を提供するために、通信に関する特定の位相差を有する１つまたは複数の電流によってモータ１４に命令することが可能であるとともに、モータ１４を所望の方向に回転させることが可能である。

図８を参照すると、ステアバイワイヤシステムの様々な要素間の電子通信が図示されている。位置センサ１８はマイクロコントローラ２２と通信する。マイクロコントローラ内では、位置センサ１８は、感触のアルゴリズムおよびモーションのアルゴリズムにデータを提供する。同様に、ステアリングコントローラ３０または車両コントローラ３２などの外部コントローラからの外部コマンドは、感触のアルゴリズムおよびモーションのアルゴリズムにデータを通信する。感触のアルゴリズムおよびモーションのアルゴリズムは、電流のアルゴリズムにデータを提供する。適切な感触のアルゴリズムの実施例が図１０に提供されており、適切なモーションのアルゴリズムが図１１に提供されている。モータ１４およびブレーキコイル４４に関連する少なくとも１つの電流センサも、電流のアルゴリズムにデータを提供する。電流のアルゴリズムは、電流制御ループにデータを提供する。この電流制御ループは、次いで、モータ１４とブレーキ１２との両方と通信する。適切な電流のアルゴリズムの実施例が図１２に提供されている。

デバイス１０は、アクティブステアバイワイヤシステムが望ましい車両（図示せず）に設置することが可能である。車両のタイプは、建設車両、農業車両、林業車両、運搬用車両、材料管理車両、海上用船舶、および航空機である場合がある。

図９を参照すると、アクティブシステムにおけるデバイス１０の用途は、車両のステアリングレスポンスを提供する方法を許容している。本方法は、オペレーターによって車両ステアリングシステムを操舵することを含んでいる。このケースでは、車両ステアリングシステムは、デバイス１０をアクティブステアバイワイヤシステムとして採用している。デバイス１０が設置されている場合、アクティブステアバイワイヤ制御メカニズムにより、人為的なステアリングレスポンスが提供される。デバイス１０は、上述され、ブレーキ１２と、ブレーキ１２に結合されたモータ１４と、ブレーキ１２またはモータ１４に結合されたシャフト１６と、シャフト１６の角度位置信号を生成および提供することが可能である少なくとも１つの位置センサ１８と、人為的なステアリングレスポンスを生成するように、モータ１４およびブレーキ１２への入力を提供することが可能な少なくとも１つのマイクロコントローラ２２と、を含んでいる。ブレーキ１２、モータ１４、および位置センサ１８は、マイクロコントローラ２２と電子通信している。

本方法は、オペレーターに車両を運転させ、少なくとも１つのステアリング入力を車両ステアリングシステムに提供することによってシャフト１６を回転させることをさらに含んでいる。本方法は、位置センサ１８がステアリング入力を電子ステアリングコマンドに変換することをも含んでいる。位置センサ１８によって判定されるステアリング角度位置は、マイクロコントローラ２２によってステアリングコントローラ３０に通信される。デバイス１０は、セミアクティブタクティールフィードバックをオペレーターに提供する。セミアクティブタクティールフィードバックは、直接接続ステアリングシステムをシミュレートする人為的なステアリングレスポンスを生成する。

本方法では、ステアリングレスポンスは、エンドストップ制御、抵抗性トルク、中心に戻る、少なくとも１つの逸脱ワーニング、摩擦の感触、ホイールのスリップの感触、中心上の感触、および／またはステアリングの同調を含む、複数の電子ステアリングコマンドを提供する能力を含んでいる。

セミアクティブタクティールフィードバックは、位置センサ１８、計算されたステアリング速度、すなわち角速度、計算されたステアリング加速度、すなわち角加速度、またはステアリングコントローラ３０からのデジタル入力の組合せに基づいている。セミアクティブタクティールフィードバックは、一体型コイル４４を通して電流を送ることによって発生する一定、周期的、または可変のブレーキトルクを含んでいる。論じられたように、電流の印可および電流の制御は、マイクロコントローラ２２によって提供される。

本方法では、シャフト１６を回転させるステップは、位置センサ１８により、シャフト１６を介してのオペレーターのステアリング入力を測定することをさらに含んでいる。位置センサ１８は、位置信号をマイクロコントローラ２２および／またはステアリングコントローラ３０に通信する。マイクロコントローラ２２またはマイクロコントローラ２２を使用するＴＦＣＵ２４は、セミアクティブタクティールフィードバックをオペレーターに、ブレーキ１２および／またはモータ１４の制御および調整を通して提供する。

上述のように、本方法は、製造者が選択したインターバルの後に、位置センサ１８が、オペレーターが少なくとも１つのステアリング入力を提供することの検出に失敗した際に、シャフト１８を中心位置に戻すことを定めている。

本方法は、少なくとも２つのマイクロコントローラ２２の第１のものでブレーキ１２を制御することと、少なくとも２つのマイクロコントローラ２２の第２のものでモータ１４を制御することを許容している。１つのマイクロコントローラ２２が存在するか、２つ以上のマイクロコントローラ２２が存在するかに関わらず、本方法は、位置センサ１８からの角度位置信号を使用し、ブラシレス直流（ＢＬＤＣ）モータ１４のための必要な代替信号を計算することができるようにモータ１４を制御するマイクロコントローラを定めている。

本発明の他の実施形態は、当業者には明らかとなるであろう。したがって、前述の記載は、本発明の一般的な使用および方法を可能にするとともに記載するのみである。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の範囲を規定する。

Claims (50)

1. ステアリングレスポンスを提供するステアバイワイヤシステムであって、
   ブレーキと、
   前記ブレーキに結合されたモータと、
   前記ブレーキおよび／または前記モータに結合されたシャフトと、
   前記シャフトの角度位置を提供することが可能な少なくとも１つの位置センサと、
   前記ステアリングレスポンスを形成するように、前記モータと前記ブレーキとの少なくとも一方に入力を提供することが可能である少なくとも１つのマイクロコントローラであって、前記ブレーキ、前記モータ、および前記位置センサが、前記マイクロコントローラと電子通信している、少なくとも１つのマイクロコントローラと、
   を備えたステアバイワイヤシステム。
2. 少なくとも２つのマイクロコントローラをさらに備え、前記少なくとも２つのマイクロコントローラの一方は前記ブレーキの制御を提供し、前記少なくとも２つのマイクロコントローラの一方は前記モータの制御を提供する、請求項１に記載のステアバイワイヤシステム。
3. 前記ブレーキは、ＴＦＤブレーキ、ドラムブレーキ、ディスクブレーキ、摩擦ブレーキ、または電磁ブレーキである、請求項１に記載のステアバイワイヤシステム。
4. 前記ブレーキは、エンドストップトルクおよび可変抵抗性トルクを提供することが可能である、請求項２に記載のステアバイワイヤシステム。
5. 前記ブレーキはＴＦＤブレーキである、請求項２に記載のステアバイワイヤシステム。
6. 前記ＴＦＤブレーキはハウジングを有し、前記モータの少なくとも一部は前記ハウジング内に位置している、請求項５に記載のステアバイワイヤシステム。
7. 前記ＴＦＤブレーキは、
   前記シャフトに回転可能に接続された回転ディスクと、
   前記回転ディスクに接続されたドラムローターと、
   前記ドラムローターの径方向内側に位置し、前記ドラムローターとの間に第１のギャップを形成する一体型コイルを有するコアと、
   前記ドラムローターの径方向外側に固定されて位置し、前記ドラムローターとの間に第２のギャップを形成するポールリングと、
   前記第１のギャップ内および前記第２のギャップ内に配置された磁気反応性（ＭＲ）材料と、
   ＭＲ材料が前記第２のギャップから移動することをブロックするように位置する上側シールと、
   ＭＲ材料が前記第１のギャップから移動することをブロックするように位置する下側シールと、
   前記シャフト、前記ドラムローター、前記コア、前記上側シール、および前記下側シールを囲むハウジングであって、前記ハウジングは、前記ハウジングに固定されたハウジングキャップおよびセンサハウジングを有している、前記ハウジングと、
   を備えたドラムブレーキである、請求項５に記載のステアバイワイヤシステム。
8. 前記ＴＦＤブレーキは、
   前記シャフトに取り付けられ、透磁性材料で形成されたローターであって、前記ローターは、前記ローターが取り付けられた前記シャフトと平行に延びる作動部を前記ローターの外周に有する形状である、ローターと、
   前記ローターを回転可能に内部に収容する第１のシールされたチャンバーを有し、前記ローターから離間するとともに、前記シャフトに対して、および前記ローターの前記作動部に対して垂直な方向に磁束を発生させるように位置する磁界発生器を含む前記ハウジングであって、前記ハウジングが第２のシールされたチャンバーを含み、前記第２のシールされたチャンバーは、前記ブレーキの動作を制御および監視するためのブレーキ制御電子システムを収容している、前記ハウジングと、
   前記第１のシールされたチャンバー内に配置された制御可能な磁気反応性（ＭＲ）材料であって、前記ＭＲ材料は、前記ローターの少なくとも前記作動部と接触しており、前記ＭＲ材料は、前記磁界発生器によって生成された磁界に反応する、制御可能な磁気反応性（ＭＲ）材料と、
   を備えたディスクブレーキである、請求項５に記載のステアバイワイヤシステム。
9. 前記モータは、前記ステアリングレスポンスに対する入力を提供することが可能であり、前記入力は、中心に戻る、アラートワーニング、中間感触、アクティブ力感触、および／または２つ以上のステアリング同調を含んでいる、請求項１に記載のステアバイワイヤシステム。
10. ２つ以上の位置センサをさらに備えている、請求項１に記載のステアバイワイヤシステム。
11. 前記２つ以上のセンサは、約±３度の誤差限界内にあるシャフト位置を提供することが可能である、請求項１０に記載のステアバイワイヤシステム。
12. 前記２つ以上のセンサは、少なくとも±１度の誤差限界内にあるシャフト位置を提供することが可能である、請求項１０に記載のステアバイワイヤシステム。
13. 前記２つ以上のセンサは、約－５度から約＋５度の間の誤差限界内にあるシャフト位置を提供することが可能である、請求項１０に記載のステアバイワイヤシステム。
14. 前記位置センサは非接触位置センサである、請求項１に記載のステアバイワイヤシステム。
15. 前記位置センサは絶対位置センサ、光学的位置センサ、エンコーダ、リゾルバ、ホール効果センサである、請求項１０に記載のステアバイワイヤシステム。
16. 前記位置センサからの信号は、前記シャフトの角度位置の測定値を含んでいる、請求項１０に記載のステアバイワイヤシステム。
17. 前記位置センサは、外部コントローラと直接電子通信しているか、間接電子通信しているか、直接電子通信と間接電子通信との両方をしており、前記外部コントローラは、前記ステアバイワイヤシステム内で前記マイクロコントローラから離間している、請求項１に記載のステアバイワイヤシステム。
18. 前記モータの少なくとも１つの巻回コイルを通して可変電流を送ることが可能な少なくとも１つのアンプリファイアをさらに備えている、請求項１に記載のステアバイワイヤシステム。
19. 前記ブレーキは、磁気流体学的（ＭＲ）流体または磁気反応性（ＭＲ）材料を含んでいる、請求項１に記載のステアバイワイヤシステム。
20. 前記ブレーキが少なくとも１つのブレーキコイルをさらに備え、前記少なくとも１つのブレーキコイルは、電流が印可された際に前記ＭＲ流体または前記ＭＲ材料にエネルギーを与えることが可能である、請求項１９に記載のステアバイワイヤシステム。
21. 前記少なくとも１つのブレーキコイルを通して電流を送ることが可能な少なくとも１つのアンプリファイアをさらに備えている、請求項２０に記載のステアバイワイヤシステム。
22. 前記モータはブラシレス直流（ＢＬＤＣ）モータである、請求項１に記載のステアバイワイヤシステム。
23. 前記モータは、前記モータおよび前記ブレーキの中心線に沿って前記ブレーキに結合されている、請求項１に記載のステアバイワイヤシステム。
24. 前記マイクロコントローラはＣＡＮバスと電子通信している、請求項１に記載のステアバイワイヤシステム。
25. 前記マイクロコントローラは、車両コントローラから前記ＣＡＮバスを介して電子通信を受信することが可能である、請求項２４に記載のステアバイワイヤシステム。
26. 前記マイクロコントローラは、可変タクティール感触を提供することが可能である、請求項１に記載のステアバイワイヤシステム。
27. 前記マイクロコントローラは、前記位置センサからの入力なしで前記モータに中心に戻るようにコマンドを通信することが可能である、請求項２６に記載のステアバイワイヤシステム。
28. 前記マイクロコントローラは、モーションなしで前記モータに中心に戻るようにコマンドを通信することが可能であり、前記モーションは、非接触位置センサによって検出される、請求項２６に記載のステアバイワイヤシステム。
29. 前記マイクロコントローラは、前記シャフトの前記角度位置を制御するように、前記モータにコマンドを通信することが可能である、請求項２６に記載のステアバイワイヤシステム。
30. 前記マイクロコントローラは、前記シャフトにワーニングコマンドを導入して、前記シャフトを振動させるか震えさせるように、前記モータにコマンドを通信することが可能である、請求項２６に記載のステアバイワイヤシステム。
31. 前記マイクロコントローラは、前記ブレーキにコマンド入力を提供するために適切なプログラミングを含み、前記コマンド入力は、トラベルストップの終了、通常の動作、および／または、前記ステアリングレスポンスに関連するアクションに対応する抵抗性の力を繰り返すブレーキングアクションを生成する、請求項２６に記載のステアバイワイヤシステム。
32. 車両であって、前記車両に設置された前記ステアバイワイヤシステムを有する車両をさらに備えている、請求項１に記載のステアバイワイヤシステム。
33. 前記ステアバイワイヤシステムは、前記少なくとも１つの位置センサと、前記ブレーキおよび／または前記モータに結合された前記シャフトとの間にギアパックを含んでいない、請求項１に記載ステアバイワイヤシステム。
34. 前記マイクロコントローラは、電流からトルクを概算することが可能である、請求項１に記載のステアバイワイヤシステム。
35. 前記マイクロコントローラは、前記位置センサから通信された角度位置の測定値を測定および処理することが可能である、請求項１に記載のステアバイワイヤシステム。
36. 前記マイクロコントローラは、通信に関する特定の位相差を有する電流によって前記モータに命令することが可能であるとともに、前記モータを所望の方向に回転させることが可能である、請求項１に記載のステアバイワイヤシステム。
37. 前記モータは、約０．５ニュートンメートルから約５ニュートンメートルの間の力を提供することが可能である、請求項１に記載のステアバイワイヤシステム。
38. 前記モータは、前記ブレーキに関する最大の可能な抵抗性ブレーキトルクの約０．０１％から約２５．０％の間のオフ状態のブレーキトルクレベルを超える力を提供することが可能である、請求項１に記載のステアバイワイヤシステム。
39. 前記ブレーキは、約２０ニュートンメートル以下の抵抗性の力を提供することが可能である、請求項１に記載のステアバイワイヤシステム。
40. 前記シャフトはステアリング入力デバイスに接続されている、請求項１に記載のステアバイワイヤシステム。
41. 前記モータは、前記シャフトのモーションを動的に制御するように配置されている、請求項１に記載のステアバイワイヤシステム。
42. 前記少なくとも１つのマイクロコントローラは、前記モータに基準入力を通信し、前記シャフトの回転を動的に制御することが可能である、請求項４１に記載のステアバイワイヤシステム。
43. 車両のステアリングレスポンスを提供する方法であって、
    オペレーターが前記車両を運転することであって、
    前記運伝することは、前記オペレーターが車両ステアリングシステムを操舵することを含み、前記車両ステアリングシステムは、前記ステアリングレスポンスを提供することが可能であるステアバイワイヤシステムを有しており、前記ステアバイワイヤシステムは、
    ブレーキと、
    前記ブレーキに結合されたモータと、
    前記ブレーキまたは前記モータに結合されたシャフトと、
    前記シャフトの角度位置信号を生成および提供することが可能な少なくとも１つの位置センサと、
    前記ステアリングレスポンスを形成するように、前記モータおよび前記ブレーキに入力を提供することが可能である少なくとも１つのマイクロコントローラであって、前記ブレーキ、前記モータ、および前記位置センサは、前記少なくとも１つの前記マイクロコントローラと電子通信している、少なくとも１つの前記マイクロコントローラと、
    を含んでいる、運転することと、
    前記オペレーターによって前記シャフトを回転させることであって、前記車両ステアリングシステムに少なくとも１つのステアリング入力を提供する、回転させることと、
    前記少なくとも１つのステアリング入力を前記ステアバイワイヤシステムで電子ステアリングコマンドに変換することと、
    前記ステアリング角度位置を前記少なくとも１つのマイクロコントローラからステアリングコントローラに通信することと、
    前記オペレーターにセミアクティブタクティールフィードバックを提供することであって、前記セミアクティブタクティールフィードバックは、直接接続ステアリングシステムをシミュレートする前記ステアリングレスポンスを形成する、提供することと、を含む方法。
44. 前記ステアリングレスポンスは、複数の電子ステアリングコマンド、エンドストップ制御、抵抗性トルク、中心に戻る、少なくとも１つの逸脱ワーニング、摩擦の感触、ホイールのスリップの感触、中心上の感触、およびステアリングの同調を提供することが可能である、請求項４３に記載の方法。
45. 前記セミアクティブタクティールフィードバックは、ステアリングセンサの位置、ステアリング速度、ステアリング加速度、または前記ステアリングコントローラからのデジタル入力の組合せに基づいている、請求項４３に記載の方法。
46. 前記セミアクティブタクティールフィードバックは、一体型コイルを通して電流を送ることによって発生する一定、周期的、または可変のブレーキングトルクを含んでいる、請求項４５に記載の方法。
47. 前記シャフトを回転させる前記ステップは、前記オペレーターの少なくとも１つのステアリング入力を、前記位置センサによって前記シャフトを介して計測することと、前記位置センサが位置信号を前記少なくとも１つのマイクロコントローラまたは前記ステアリングコントローラに通信することと、前記少なくとも１つのマイクロコントローラが前記セミアクティブタクティールフィードバックを前記オペレーターに、前記ブレーキおよび／または前記モータを通して提供することと、をさらに含んでいる、請求項４３に記載の方法。
48. 前記少なくとも１つの位置センサは、製造者が選択したインターバルの間に前記オペレーターからの少なくとも１つのステアリング入力の変化を検出しなかった場合に、前記シャフトを中心位置に戻すことをさらに含む、請求項４３に記載の方法。
49. 前記少なくとも２つのマイクロコントローラの第１のもので前記ブレーキを制御することと、前記少なくとも２つのマイクロコントローラの第２のもので前記モータを制御することと、をさらに含む、請求項４３に記載の方法。
50. 前記少なくとも１つのマイクロコントローラの前記少なくとも１つの位置センサからの前記角度位置信号を使用して、ブラシレス直流（ＢＬＤＣ）モータに関する必要な代替信号を計算するステップをさらに含む、請求項４４に記載の方法。

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