JP3465881B2 - 電動ステアリング装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、たとえばフォーク
リフトにおける電動ステアリング装置に関し、特に、フ
ライバイワイヤー方式の電動ステアリング装置に関する
ものである。 【０００２】 【従来の技術】フォークリフトにおいては、ハンドルの
操作に応じてステアリングモータの回転を制御するコン
トローラを備えた電動式のステアリング装置が広く用い
られているが、ミニチュア型の電動ステアリング装置と
して、ハンドルとステアリング機構との間に機械的なリ
ンケージを有さないフライバイワイヤー（Fly‐By‐Wir
e）方式と呼ばれるものがある。 【０００３】このようなフライバイワイヤー方式のステ
アリング装置においては、ハンドルの回転速度を検出す
るタコジェネレータ等の検出器が設けられており、ステ
アリングモータの制御にあたっては、この検出器によっ
て検出された回転速度に一定のゲインを乗じて、モータ
を駆動するチョッパ回路のチョッパデューティを決定す
るようになっている。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ようにハンドルの回転速度を検出してステアリングモー
タを制御する方式では、ハンドルを回す速度や操舵輪
（ステアリングタイヤ）にかかる摩擦力によって、操舵
輪の回転角度が操作のたびに大きく変化する。このた
め、ハンドルの操作角度と実際に操舵輪が回転した角度
とが一致せず、これを一致させるには操作がきわめて難
しくなるという問題があった。 【０００５】本発明は上記のような問題を解決し、ハン
ドルの操作角と操舵輪の変位角とが常に一致するように
制御することで、ステアリング操作を簡単に行なえる電
動ステアリング装置を提供することを課題としている。 【０００６】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、ハンドルの回転角度を検出する角度検出
器の出力に基づいてハンドル回転指示角度を求め、この
ハンドル回転指示角度と操舵輪の回転角度とを比較し
て、両者が同じになるようにステアリングモータの回転
を制御するようにしたものである。 【０００７】ここで、ハンドル回転指示角度とは、操舵
輪を所定角度だけ変位させるべくハンドルを操作した場
合における、当該所定角度に対応するハンドルの回転角
度のことをいう。 【０００８】上記のようにすることで、操舵輪の回転角
度はハンドル回転指示角度と同じになるように制御が行
なわれるため、ハンドルを回した分だけ操舵輪が変位す
ることとなり、ハンドルの回転速度や操舵輪の摩擦力の
影響を受けることなく、常に安定したステアリング動作
が行なわれる。この制御は、たとえばステアリングモー
タを駆動するチョッパ回路のチョッパデューティを可変
することで実現できる。 【０００９】また、本発明では、所定時間ごとにステア
リングモータの電圧と電流に基づいてモータの回転数を
算出し、この回転数から求めた操舵輪の回転角度を積算
するとともに、所定時間ごとに角度検出器の出力に基づ
いてハンドル回転指示角度を算出し、この回転指示角度
を積算するように構成することができる。 【００１０】そして、この場合、角度検出器の出力に基
づいて前回のハンドル回転角度と今回のハンドル回転角
度とを比較し、今回のハンドル操作方向が前回のハンド
ル操作方向と逆の方向であると判定した場合には、積算
した操舵輪の回転角度とハンドル回転指示角度とをリセ
ットするように構成することで、より正確で迅速なステ
アリング制御を行なうことができる。 【００１１】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につき、
図を参照しながら説明する。図１は本発明に係るフライ
バイワイヤー方式の電動ステアリング装置の概略構成図
であって、フォークリフトに適用した場合の例を示して
いる。図において、１はフォークリフトの運転席に設け
られたハンドル、２はこのハンドル１の回転角度を検出
する角度検出器であって、角度検出器２はたとえばエン
コーダやポテンショメータから構成されている。 【００１２】３はステアリング制御を行なうコントロー
ラであり、その詳細は後で図２において説明する。４は
コントローラ３によって駆動されるステアリングモー
タ、５はギヤ機構を含んで構成される減速機構、６ａは
減速機構５の駆動軸５ａに固定されたギヤ、６ｂはギヤ
６ａと噛み合う旋回ギヤ、７は旋回ギヤ６ｂの回転によ
って旋回される旋回ギヤケース、８は旋回ギヤケース７
に枢支された操舵輪（ステアリングタイヤ）である。 【００１３】上記構成において、ハンドル１を操作する
と、ハンドル１の回転角度を角度検出器２が検出し、こ
の検出値ＨＳをコントローラ３へ送る。また、コントロ
ーラ３には、ステアリングモータ４のバッテリ電圧ＢＶ
とモータ電流ＭＩとが入力される。コントローラ３はこ
れらの各値に基づいて、後述するチョッパ回路のチョッ
パデューティＣＤを可変してステアリングモータ４の回
転数を制御するとともに、モータの回転方向ＲＤを制御
する。 【００１４】コントローラ３によってステアリングモー
タ４が駆動されることにより、減速機構５を介してギヤ
６ａが回転し、このギヤ６ａと噛み合っている旋回ギヤ
６ｂが回転する。旋回ギヤ６ｂの回転は、旋回ギヤケー
ス７を介して操舵輪８に伝達される。その結果、操舵輪
８はトルクを受けて所定の角度だけ回転変位する。 【００１５】図２は、コントローラ３の具体的な構成を
示す電気回路図である。１０はステアリングモータ４を
駆動するためのチョッパ回路で、４つの半導体スイッチ
ング素子１１〜１４をブリッジ接続して構成され、バッ
テリ（図示省略）から電源供給を受ける電源ライン２
１、２２間に接続されている。ここでは、半導体スイッ
チング素子として、高速動作に適したＭＯＳ型のＦＥＴ
（電界効果トランジスタ）を用いている。 【００１６】ステアリングモータ４は、ＦＥＴ１１およ
び１２の接続点と、ＦＥＴ１３および１４の接続点との
間に接続され、チョッパ回路１０により駆動される。１
５はモータ電流検出用のカレントセンサで、ステアリン
グモータ４とＦＥＴ１３および１４の接続点との間に設
けられる。 【００１７】１６はアナログ信号をデジタル信号に変換
するＡ／Ｄコンバータであって、このＡ／Ｄコンバータ
１６には、カレントセンサ１５で検出されたステアリン
グモータ４の電流値ＭＩと、電源ライン２１のバッテリ
電圧ＢＶと、角度検出器２（図１）で検出されたハンド
ルの回転角度ＨＳとが入力される。 【００１８】１７はＣＰＵであって、Ａ／Ｄコンバータ
１６で変換されたデジタル信号に基づいて、ステアリン
グモータ４の電圧と回転数、および操舵輪８の変位角度
を計算し、チョッパ回路１０のチョッパデューティ等を
演算する。１８はＣＰＵ１７が実行するプログラムなど
を格納したＲＯＭ、１９は各種データを記憶するＲＡＭ
である。 【００１９】ＲＡＭ１９には、図３に示すように、バッ
テリ電圧ＢＶ、モータ電圧ＭＶ、モータ電流ＭＩ、モー
タ回転数ＭＷ、操舵輪回転角度ＴＷ、ハンドル回転角度
（今回値）ＨＳ、ハンドル回転角度（前回値）ＨＢ、ハ
ンドル回転指示角度ＨＦ、回転方向指示ＲＤ、チョッパ
デューティＣＤの各データが格納されるエリアが設けら
れている。 【００２０】２０はＰＷＭ（パルス幅変調）回路であっ
て、ＣＰＵ１７によって算出されたチョッパデューティ
に対応するパルスをチョッパ回路１０へ供給する。ＰＷ
Ｍ回路２０の出力ラインは４本あり、それぞれのライン
はチョッパ回路１０のＦＥＴ１１〜１４のゲートへ接続
されている。ＦＥＴ１１〜１４は、ＰＷＭ回路２０から
のパルスによってスイッチング動作を行ない、ステアリ
ングモータ４へ電流を供給して駆動する。 【００２１】図４および図５は、上述したコントローラ
３におけるステアリング制御の動作を示すフローチャー
トであって、ＣＰＵ１７によって実行される手順を示し
ている。以下、図１ないし図５を参照して、本発明に係
る電動ステアリング装置の動作を説明する。 【００２２】最初にメモリの初期化を行なう（ステップ
Ｓ１）。すなわち、図３に示したＲＡＭ１９におけるハ
ンドル回転指示角度ＨＦ、チョッパデューティＣＤ、モ
ータ回転方向指示ＲＤの各エリアの値をすべて０にセッ
トする。なお、ハンドル回転指示角度ＨＦは度（°）、
チョッパデューティＣＤは％で表される。また、モータ
回転方向指示ＲＤは＋１、−１、０の３値をとり、＋１
は正方向回転、−１は逆方向回転、０は中立状態を表
す。 【００２３】ついで、ハンドル回転角度ＨＢを読込む
（ステップＳ２）。このハンドル回転角度ＨＢは、前回
のハンドル操作による回転角の値である。次に、タイマ
を監視して１ｍｓが経過したか否かを判定する（ステッ
プＳ３）。１ｍｓが経過していなければ（ステップＳ３
Ｎｏ）監視を継続し、１ｍｓが経過すれば（ステップＳ
３Ｙｅｓ）、バッテリ電圧ＢＶを読込む（ステップＳ
４）。バッテリ電圧ＢＶは、Ａ／Ｄコンバータ１６によ
りデジタル値に変換されて、ＲＡＭ１９に格納される。 【００２４】その後、読込んだバッテリ電圧ＢＶと、チ
ョッパデューティＣＤと、モータ回転方向指示ＲＤとに
基づいて、ステアリングモータ４のモータ電圧を計算す
る（ステップＳ５）。モータ電圧ＭＶは、次式によって
算出される。 ＭＶ＝（ＢＶ×ＣＤ×ＲＤ）／１００ （１） なお、最初はステップＳ１においてＣＤ＝０（％）、Ｒ
Ｄ＝０であるから、ＭＶ＝０となる。 【００２５】次に、カレントセンサ１５が検出したモー
タ電流ＭＩを読み取る（ステップＳ６）。このモータ電
流ＭＩも、Ａ／Ｄコンバータ１６によりデジタル値に変
換されて、ＲＡＭ１９に格納される。そして、式（１）
により算出したモータ電圧ＭＶと、モータ電流ＭＩとに
基づいて、ステアリングモータ４のモータ回転数を計算
する（ステップＳ７）。モータ回転数ＭＷは、次式によ
って算出される。 ＭＷ＝（ＭＶ−Ｋ₁×ＭＩ）／Ｋ₂ （２） ここで、Ｋ₁およびＫ₂はモータの特性によって決まる定
数である。 【００２６】続いて、上記の式（２）から求めたモータ
回転数ＭＷに基づいて、操舵輪８の回転角度を計算する
（ステップＳ８）。回転角度は、次式によって算出され
る。 ＴＷ＝Ｋ_３×ＭＷ （３） ここで、Ｋ_３は減速機構５のギヤ比などによって決まる
定数である。ステップＳ８では、こうして算出した操舵
輪の回転角度を毎回（１ｍｓ毎に）積算してゆく。すな
わち、 ＴＷ＝ＴＷ＋（Ｋ_３×ＭＷ） （４） の演算を行なう。 【００２７】次に、角度検出器２（図１）の出力からハ
ンドル回転角度ＨＳを読込む（ステップＳ９）。このハ
ンドル回転角度ＨＳは、今回のハンドル操作による回転
角の値である。ハンドル回転角度ＨＳは、Ａ／Ｄコンバ
ータ１６によりデジタル値に変換されて、ＲＡＭ１９に
格納される。その後、ハンドル回転指示角度ＨＦの正負
を判定する（ステップＳ１０）。ハンドル回転指示角度
ＨＦは、前述したように、操舵輪８を所定角度だけ変位
させるべくハンドル１を操作した場合における、当該所
定角度に対応するハンドル１の回転角度である。ここで
は、ハンドル回転指示角度ＨＦが正の場合を左回転、負
の場合を右回転、０の場合を中立としている。 【００２８】初回はステップＳ１においてＨＦ＝０であ
るから、ステップＳ１０からステップＳ１３へ移行し
て、ハンドル回転指示角度ＨＦを計算する。ハンドル回
転指示角度ＨＦは、 ＨＦ＝ＨＦ＋ＨＳ−ＨＢ （５） で算出され、毎回積算されてゆくが、初回はＨＦ＝ＨＳ
−ＨＢとなり、今回のハンドル回転角度と前回のハンド
ル回転角度との差がそのままハンドル回転指示角度ＨＦ
の値となる。 【００２９】図６は、今回のハンドル回転角度ＨＳと前
回のハンドル回転角度ＨＢとの関係を表した図である。
同図（ａ）は、今回の回転角度ＨＳの絶対値が前回の回
転角度ＨＢの絶対値よりも増加した場合、すなわちハン
ドル１が前回と同じ方向に操作された場合を示してい
る。ハンドル１が左方向に回転した場合は、ＨＳとＨＢ
はともに＋の値をとり、ＨＳ＞ＨＢとなる。一方、ハン
ドル１が右方向に回転した場合は、ＨＳとＨＢはともに
−の値をとり、ＨＳ＜ＨＢとなる。また、同図（ｂ）
は、今回の回転角度ＨＳの絶対値が前回の回転角度ＨＢ
の絶対値よりも減少した場合、すなわちハンドル１が前
回と逆の方向に操作された場合を示している。ハンドル
１が左方向から右方向に回転した場合は、ＨＢは＋、Ｈ
Ｓは−の値をとり、ＨＳ＜ＨＢとなる。一方、ハンドル
１が右方向から左方向に回転した場合は、ＨＢは−、Ｈ
Ｓは＋の値をとり、ＨＳ＞ＨＢとなる。 【００３０】上記のようにしてＨＦを計算した後、前回
の回転角度ＨＢを更新して、今回の回転角度ＨＳを前回
の回転角度ＨＢとする（ステップＳ１６）。そして、ス
テップＳ１７へ進み、式（５）で求めたハンドル回転指
示角度ＨＦと、式（４）で求めた操舵輪回転角度ＴＷと
を比較する。 【００３１】ステップＳ１７において、ＨＦ＞ＴＷの場
合は、操舵輪８を左回転させるようにハンドル１が操作
された場合であって、操舵輪８の回転した角度ＴＷが、
ハンドル１の操作によって指示された回転指示角度ＨＦ
に至ってないので、ＴＷがＨＦと一致するようにステア
リングモータ４の回転方向と回転数の制御を行なう。す
なわち、回転方向指示ＲＤを＋１（正回転）にセットし
（ステップＳ１８）、チョッパデューティＣＤを次式に
より算出する（ステップＳ１９）。 ＣＤ＝Ｇ×（ＨＦ−ＴＷ） （６） ここで、Ｇはゲイン（定数）である。 【００３２】そして、上記の回転方向指示ＲＤおよびチ
ョッパデューティＣＤをＰＷＭ回路２０へ出力する（ス
テップＳ２４、Ｓ２５）。ＰＷＭ回路２０は、これらの
ＲＤおよびＣＤの条件を満たすパルスを生成して、これ
をチョッパ回路１０へ供給する。チョッパ回路１０で
は、ＰＷＭ回路２０からのパルスによりＦＥＴ１１〜１
４がスイッチング動作し、ステアリングモータ４の電流
の方向を切り換えたり電流の値を可変したりして、モー
タ４の回転方向と回転数を制御する。 【００３３】また、ステップＳ１７において、ＨＦ＜Ｔ
Ｗの場合は、操舵輪８を右回転させるようにハンドル１
が操作された場合であって、この場合も操舵輪８の回転
角度ＴＷとハンドル回転指示角度ＨＦとが一致しないの
で、両者が一致するようにステアリングモータ４の回転
方向と回転数を制御する。すなわち、回転方向指示ＲＤ
を−１（負回転）にセットし（ステップＳ２２）、チョ
ッパデューティＣＤを次式により算出する（ステップＳ
２３）。 ＣＤ＝Ｇ×（ＴＷ−ＨＦ） （７） ここで、Ｇはゲイン（定数）である。その後は、前記と
同様にステップＳ２４、Ｓ２５を実行して、ステアリン
グモータ４の制御を行なう。 【００３４】また、ステップＳ１７において、ＨＦ＝Ｔ
Ｗの場合は、回転指示角度と操舵輪８が回転した角度と
が一致しているので、回転方向指示ＲＤを０（中立）に
セットし（ステップＳ２０）、チョッパデューティＣＤ
を０（％）として、これらを出力する（ステップＳ２
４、Ｓ２５）。 【００３５】以上のようにしてステップＳ２４およびＳ
２５を実行した後、ステップ３へ戻り、タイマが１ｍｓ
経過するのを待って（ステップＳ３Ｙｅｓ）、前述した
ステップＳ４〜Ｓ９を繰り返す。 【００３６】次に、ハンドル回転指示角度ＨＦの正負を
判定する（ステップＳ１０）。ＨＦ＞０であれば左回転
の場合であって、ステップＳ１１へ移行し、今回のハン
ドル回転角度ＨＳと前回のハンドル回転角度ＨＢとを比
較する。そして、ＨＳ≧ＨＢであれば、図６（ａ）のよ
うにハンドル１は同じ方向に操作されており（前回が左
回転で今回も左回転）、ハンドル回転指示角度ＨＦを前
記の式（５）によって計算する（ステップＳ１３）。一
方、ＨＳ＜ＨＢであれば、図６（ｂ）のようにハンドル
１は逆方向に操作されたことになり（前回が左回転で今
回が右回転）、この場合はハンドル回転指示をリセット
する（ステップＳ１２）。すなわち、ハンドル回転指示
角度ＨＦと操舵輪回転角度ＴＷとをいずれも０にする。
そして、前回のハンドル回転角度ＨＢを更新し、今回の
ハンドル回転角度ＨＳを前回のハンドル回転角度ＨＢと
してセットする（ステップＳ１６）。 【００３７】また、ステップＳ１０においてＨＦ＝０で
あれば、前述した場合と同様に、ハンドル回転指示角度
ＨＦを式（５）によって計算し（ステップＳ１３）、前
回のハンドル回転角度ＨＢを今回値に更新する（Ｓ１
６）。 【００３８】一方、ステップＳ１０においてＨＦ＜０で
あれば右回転の場合であって、ステップＳ１４へ移行
し、今回のハンドル回転角度ＨＳと前回のハンドル回転
角度ＨＢとを比較する。そして、ＨＳ≦ＨＢであれば、
図６（ａ）のようにハンドル１は同じ方向に操作されて
おり（前回が右回転で今回も右回転）、ハンドル回転指
示角度ＨＦを前記の式（５）によって計算する（ステッ
プＳ１３）。一方、ＨＳ＞ＨＢであれば、図６（ｂ）の
ようにハンドル１は逆方向に操作されたことになり（前
回が右回転で今回が左回転）、この場合はハンドル回転
指示をリセットする（ステップＳ１５）。すなわち、ハ
ンドル回転指示角度ＨＦと操舵輪回転角度ＴＷとをいず
れも０にする。そして、前回のハンドル回転角度ＨＢを
今回値に更新する（ステップＳ１６）。 【００３９】ステップＳ１２、Ｓ１５においてリセット
が行われると、ステップＳ１７での判定はＨＦ＝ＴＷと
なる。したがって、ステップＳ２０、Ｓ２１によって回
転方向指示ＲＤ＝０、チョッパデューティＣＤ＝０が設
定された後、ステップＳ２４、Ｓ２５を経てステップＳ
３へ戻ると、ステップＳ４〜Ｓ９を経てステップＳ１０
での判定がＨＦ＝０となり、ステップＳ１３において、
リセット時点を基準として新たにハンドル回転指示角度
ＨＦが算出されることになる。 【００４０】以上のようにして、上述した実施形態にお
いては、１ｍｓごとにステアリングモータ４の電圧ＭＶ
と電流ＭＩに基づいてモータの回転数ＭＷを算出し、こ
の回転数ＭＷから求めた操舵輪８の回転角度ＴＷを積算
するとともに、角度検出器２の出力に基づいてハンドル
回転指示角度ＨＦを算出して積算し、積算されたＴＷと
ＨＦとを比較して、両者が同じになるようにチョッパ回
路１０のチョッパデューティＣＤを決定し、ステアリン
グモータ４の回転を制御している。このため、ハンドル
１が回転した角度だけ操舵輪８も回転変位して、安定し
たステアリング動作が行なわれるので、ハンドル１の操
作が従来に比べて簡単になり、操作フィーリングも向上
する。 【００４１】また、ハンドル１の方向が切り換えられた
場合には、直ちにハンドル回転指示角度ＨＦと操舵輪回
転角度ＴＷとをリセットし、リセット時点から新たにハ
ンドル回転指示角度ＨＦを求めて、これに基づいて制御
を行なうようにしているので、方向切換に対して正確か
つ迅速なステアリング動作を行なうことができる。 【００４２】本発明は上述した実施形態以外にも種々の
形態を採用することができる。 【００４３】また、上記実施形態では、チョッパ回路１
０のスイッチング素子としてＦＥＴを用いた例を示した
が、ＦＥＴに代えてＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラ
モードトランジスタ）のような高速で大電流のスイッチ
ングが可能な半導体素子を用いることもできる。 【００４４】また、上記実施形態ではフォークリフトを
例に挙げたが、本発明の電動ステアリング装置は、フォ
ークリフト以外の各種車両にも適用することが可能であ
る。 【００４５】 【発明の効果】本発明によれば、操舵輪の回転角度がハ
ンドル回転指示角度と同じになるように制御を行なうこ
とで、ハンドルを回した分だけ操舵輪を正確に変位させ
ることができる。このため、ハンドルの回転速度や操舵
輪の摩擦力の影響を受けることなく、常に安定したステ
アリング動作を行なうことが可能となり、ハンドルの操
作が簡単になるとともに、操作フィーリングも向上す
る。 【００４６】また、ハンドルの方向が切り換えられた場
合に、ハンドル回転指示角度のリセット処理を行なうこ
とで、方向切換に対して正確で迅速なステアリング動作
を実現することができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の実施形態に係るフライバイワイヤー方
式の電動ステアリング装置の概略構成図である。 【図２】コントローラの具体的な構成を示す電気回路図
である。 【図３】ＲＡＭの記憶エリアを示す図である。 【図４】ステアリング制御の動作を示すフローチャート
である。 【図５】ステアリング制御の動作を示すフローチャート
である。 【図６】ハンドル回転角度を説明する図である。 【符号の説明】 １ ハンドル ２ 角度検出器 ３ コントローラ ４ ステアリングモータ ８ 操舵輪（ステアリングタイヤ） １０ チョッパ回路 １１〜１４ 半導体スイッチング素子（ＦＥＴ） １５ カレントセンサ １６ Ａ／Ｄコンバータ １７ ＣＰＵ １８ ＲＯＭ １９ ＲＡＭ ２０ ＰＷＭ（パルス幅変調）回路 ＢＶ バッテリ電圧 ＭＶ モータ電圧 ＭＩ モータ電流 ＭＷ モータ回転数 ＴＷ 操舵輪回転角度 ＨＳ ハンドル回転角度（今回値） ＨＢ ハンドル回転角度（前回値） ＨＦ ハンドル回転指示角度 ＲＤ 回転方向指示 ＣＤ チョッパデューティ

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】ハンドルの操作に基づいて操舵輪を所定角
   度回転させるステアリングモータと、このステアリング
   モータの回転を制御するコントローラと、上記ハンドル
   の回転角度を検出する角度検出器とを備え、上記コント
   ローラは、上記角度検出器の出力に基づいてハンドル回
   転指示角度を求めると共に、このハンドル回転指示角度
   と操舵輪の回転角度とを比較して両者が同じになるよう
   にステアリングモータの回転を制御する電動ステアリン
   グ装置であって、上記コントローラは、所定時間ごとに
   ステアリングモータの電圧と電流に基づいてモータの回
   転数を算出し、この回転数から求めた操舵輪の回転角度
   を積算すると共に、所定時間ごとに上記角度検出器の出
   力に基づいてハンドル回転指示角度を算出し、更に、上
   記コントローラは、上記角度検出器の出力に基づいて前
   回のハンドル回転角度と今回のハンドル回転角度とを比
   較し、今回のハンドル操作方向が前回のハンドル操作方
   向と逆の方向であると判定した場合には、積算した操舵
   輪の回転角度とハンドル回転指示角度とをリセットする
   ことを特徴とする電動ステアリング装置。