JP3749040B2

JP3749040B2 - Steering reaction force generation mechanism for simulated driving device

Info

Publication number: JP3749040B2
Application number: JP18744999A
Authority: JP
Inventors: 弦太栗田
Original assignee: Mitsubishi Precision Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Precision Co Ltd
Priority date: 1999-07-01
Filing date: 1999-07-01
Publication date: 2006-02-22
Anticipated expiration: 2019-07-01
Also published as: JP2001013865A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、模擬運転装置において運転者にステアリングの反力を体感させるステアリング反力発生機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、模擬運転装置用ステアリング反力発生機構には、例えば図２に示すようなものがある。図示しないシャーシに支持されたステアリングシャフト２１の一端部にバネ例えばスプリング２２の一端を連結し、スプリング２２の他端を図示しないシャーシに連結する構造とする。模擬状況に応じて、ステアリングシャフト２１の他端に取り付けたステアリングホイール２３を回転操作すると、その回転角に比例して反力がスプリング２２によりステアリングシャフト２１を介してステアリングホイール２３に与えられる。
【０００３】
このステアリング反力発生機構は、反力がスプリング２２の変位に比例して与えられるものであり、反力の制御はできない。
【０００４】
上述の他の模擬運転装置用ステアリング反力発生機構には、例えば図３に示すようなものがある。サーボモータ３１の回転駆動軸にステアリングシャフト３２を連結し、ステアリングホイール３３の操作回転により回転するステアリングシャフト３２の軸にその回転角度を検出する角度検出器３４を取り付け、角度検出器３４からの角度信号をサーボ回路３５にフィードバックし、サーボ回路３５はフィードバックされた角度信号に応じて新たな動作信号を出力し、これを受けたサーボドライバ３６は目標の角度になるようにサボモータ３１を駆動する。例えば、サーボモータ３１の回転はステアリングホイール３３の操作回転に対し若干遅れて回転するから、サーボモータ３１による反力がステアリングホイール３３に与えられる。
【０００５】
サーボ回路３５を構成するには高価なものとなり、またサーボモータ３１に交流モータを用いる場合はアナログ回路が存在し、信号の処理が難しいものとなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、バネを用いたものでは反力の制御はできず、または、交流のサーボモータとフィードバック回路を用いたものでは信号の処理が難しいものとなっていた。
【０００７】
本発明は、簡単な構成で、忠実な反力模擬の可能な模擬運転装置用ステアリング反力発生機構を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る模擬運転装置用ステアリング反力発生機構は、ステアリングシャフトとステッピングモータとを弾性体を介して連結し、ステアリングシャフトの回転角を検出する角度センサ出力と目標のトルクとを受けて当該目標トルクとなるステアリングシャフトとステッピングモータとの前記弾性体のねじれによる角度差を計算するコンピュータと、前記角度差となるようにステッピングモータを駆動するモータドライバとを備えてステアリング反力を発生させるものである。
【０００９】
【作用】
模擬運転状況によりステアリングホイールを回転操作すると、ステッピングモータを停止させたままでは所望のトルクは発生せずに単にステアリングホイールを回転させようとして加えた力に応じた反力が与えられるだけであるので、その模擬状況により発生させるべきトルクをステアリングシャフトに与えられるように、ステッピングモータを回転させる。このときステアリングシャフトに与えられるトルクは、ステアリングシャフトとステッピングモータとの回転角度差と弾性体のねじれバネ定数との積によることから、目標のトルクを得るためのステッピングモータの回転角が得られ、この角度でステッピングモータを回転させる。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明の一実施例について図を参照して説明する。図１は実施例の構成図である。図１において、１０１は基台、１０２は前記基台１０１に取り付ける枠、１０３は一端部が前記枠１０２内に位置させ、その他端をその枠１０２の外部になるように配置したステアリングシャフト、１０４はステアリングシャフト１０３の他端に取り付けられたステアリングホイールである。１０５は弾性体であり、例えばねじれ定数を有するカップリングで構成し、一端部を前記ステアリングシャフト１０３の一端と連結する。１０６は回転を伝達するために前記弾性体１０５の他端に連結するステッピングモータである。１０７は歯車であり、前記枠１０２内でステアリングシャフト１０３上に取り付けられる。１０８は枠内に取り付けられた角度検出センサとしての光電式のロータリーエンコーダ、１０９は前記歯車１０７とロータリエンコーダ１０８の回転軸とを連結してステアリングシャフト１０３の回転を伝達するベルトである。１１０はコンピュータであり、前記ロータリエンコーダ１０８の出力パルスにより回転角度を計算するとともに、模擬状況に応じて発生すべき目標トルクを入力し、ステアリングシャフト１０３の回転角とステッピングモータ１０６の回転角の差から当該目標トルクとなるように動作信号を出力する。１１１は前記コンピュータ１１０からの動作信号を受けて目標のトルクになるように前記ステッピングモータ１０６を駆動するモータドライバである。
【００１１】
模擬運転状況によりステアリングホイール１０４を回転操作すると、弾性体１０５の弾性によりわずかにステアリングシャフト１０３が回転する。このとき、ロータリエンコーダ１０８はこの回転角を検出してコンピュータ１１０に与える。コンピュータ１１０にはこの運転状況により与えられるべき目標トルクが与えられている。いまトルクをＴ、ねじれバネ定数をｋ、θ１をロータリエンコーダ１０８により検出される回転角、θ２をステッピングモータ１０６の回転角とすると、トルクは次の式（１）により得られる。
【００１２】
【数１】
Ｔ＝（θ１−θ２）×ｋ（Ｎ・ｍ） …（１）
【００１３】
従って、目的のトルクＴをステアリングシャフト１０３に与えるには、コンピュータ１１０はロータリエンコーダ１０８が検出した回転角θ１を入力して、式（１）よりθ２を計算する。コンピュータ１１０で計算されたパルスの動作信号はモータドライバ１１１に出力され、モータドライバ１１１はこの動作信号によりステッピングモータ１０６がθ２の回転角をするように駆動する。ステッピングモータ１０６がステアリングホイール１０４の操作方向と同方向に回転すると、操作者から回転力を加えられているステアリングシャフト１０３は、さらに回転しながら、弾性体１０５の弾性（ねじれバネ定数ｋ）とステッピングモータ１０６とにより目標のトルクによる反力を受ける。運転状況によりさらにステアリングホイール１０４を同方向に操作すると、コンピュータ１０８は、この回転に伴って、さらにトルクＴを目標値に維持するためステッピングモータ１０６を駆動するように、回転角を計算する。状況により目標トルクが変化した場合には、上述と同様にコンピュータ１０８により、ステッピングモータ１０６の回転角を計算し、所望した目標トルクによる反力をステアリングシャフト１０３に与えることができる。
【００１４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ロータリエンコーダにより検出した角度と、ステッピングモータの回転角度の差より、現在のトルクを換算し、目標トルクになるように、モータを制御しているので、低価格で構成することができ、全てをディジタル処理できるシステムを提供することができ、目標のトルクによる忠実な反力模擬を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る一実施例の構成図である。
【図２】バネ式による従来の模擬運転装置用ステアリング反力発生機構の構成図の一例である。
【図３】モータ使用による従来の模擬運転装置用ステアリング反力発生機構の構成図の一例である。
【符号の説明】
１０１…基台、１０２…枠、１０３…ステアリングシャフト、１０４…ステアリングホイール、１０５…弾性体、１０６…ステッピングモータ、１０７…歯車、１０８…ロータリーエンコーダ、１０９…ベルト、１１０…コンピュータ、１１１…モータドライバ。[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a steering reaction force generation mechanism that allows a driver to experience a steering reaction force in a simulated driving apparatus.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, there is a steering reaction force generating mechanism for a simulated driving apparatus as shown in FIG. One end of a spring, for example, a spring 22 is connected to one end of a steering shaft 21 supported by a chassis (not shown), and the other end of the spring 22 is connected to a chassis (not shown). When the steering wheel 23 attached to the other end of the steering shaft 21 is rotated according to the simulation situation, a reaction force is applied to the steering wheel 23 via the steering shaft 21 by the spring 22 in proportion to the rotation angle.
[0003]
In this steering reaction force generating mechanism, the reaction force is given in proportion to the displacement of the spring 22, and the reaction force cannot be controlled.
[0004]
As another example of the steering reaction force generating mechanism for the simulated driving apparatus described above, there is one as shown in FIG. A steering shaft 32 is connected to the rotation drive shaft of the servo motor 31, and an angle detector 34 for detecting the rotation angle is attached to the shaft of the steering shaft 32 that is rotated by the operation rotation of the steering wheel 33. The signal is fed back to the servo circuit 35, and the servo circuit 35 outputs a new operation signal in accordance with the fed back angle signal, and the servo driver 36 that receives the signal drives the servo motor 31 so as to reach the target angle. For example, since the rotation of the servo motor 31 rotates slightly behind the operation rotation of the steering wheel 33, a reaction force by the servo motor 31 is applied to the steering wheel 33.
[0005]
The servo circuit 35 is expensive to construct, and when an AC motor is used for the servo motor 31, an analog circuit exists and signal processing becomes difficult.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, reaction force cannot be controlled with a spring, or signal processing is difficult with an AC servomotor and a feedback circuit.
[0007]
An object of the present invention is to provide a steering reaction force generation mechanism for a simulated driving apparatus that can simulate a reaction force faithfully with a simple configuration.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a steering reaction force generation mechanism for a simulated driving apparatus according to the present invention includes an angle sensor output for detecting a rotation angle of a steering shaft and a target by connecting the steering shaft and a stepping motor via an elastic body. A computer that calculates an angular difference due to torsion of the elastic body between the steering shaft and the stepping motor that receives the torque of the steering shaft and the stepping motor, and a motor driver that drives the stepping motor to achieve the angular difference. Steering reaction force is generated.
[0009]
[Action]
If the steering wheel is rotated in a simulated driving situation, a desired torque is not generated and the reaction force corresponding to the force applied to rotate the steering wheel is only applied if the stepping motor is stopped. Then, the stepping motor is rotated so that the torque to be generated according to the simulation situation is given to the steering shaft. The torque given to the steering shaft at this time is based on the product of the rotational angle difference between the steering shaft and the stepping motor and the torsion spring constant of the elastic body, so that the rotation angle of the stepping motor to obtain the target torque is obtained. The stepping motor is rotated at this angle.
[0010]
【Example】
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of the embodiment. In FIG. 1, 101 is a base, 102 is a frame attached to the base 101, 103 is a steering shaft arranged with one end positioned in the frame 102 and the other end being outside the frame 102, 104 Is a steering wheel attached to the other end of the steering shaft 103. Reference numeral 105 denotes an elastic body, which is constituted by a coupling having a torsional constant, for example, and has one end connected to one end of the steering shaft 103. A stepping motor 106 is coupled to the other end of the elastic body 105 to transmit rotation. A gear 107 is mounted on the steering shaft 103 in the frame 102. Reference numeral 108 denotes a photoelectric rotary encoder as an angle detection sensor mounted in the frame. Reference numeral 109 denotes a belt for connecting the gear 107 and the rotary shaft of the rotary encoder 108 to transmit the rotation of the steering shaft 103. A computer 110 calculates a rotation angle based on an output pulse of the rotary encoder 108 and inputs a target torque to be generated according to a simulated situation. The difference between the rotation angle of the steering shaft 103 and the rotation angle of the stepping motor 106 is input. To output an operation signal so as to achieve the target torque. Reference numeral 111 denotes a motor driver that receives the operation signal from the computer 110 and drives the stepping motor 106 so as to achieve a target torque.
[0011]
When the steering wheel 104 is rotated according to the simulated driving situation, the steering shaft 103 is slightly rotated by the elasticity of the elastic body 105. At this time, the rotary encoder 108 detects this rotation angle and provides it to the computer 110. The computer 110 is given a target torque to be given according to this driving situation. If the torque is T, the torsion spring constant is k, θ1 is the rotation angle detected by the rotary encoder 108, and θ2 is the rotation angle of the stepping motor 106, the torque is obtained by the following equation (1).
[0012]
[Expression 1]
T = (θ1-θ2) × k (N · m) (1)
[0013]
Therefore, in order to give the target torque T to the steering shaft 103, the computer 110 inputs the rotation angle θ1 detected by the rotary encoder 108 and calculates θ2 from the equation (1). The operation signal of the pulse calculated by the computer 110 is output to the motor driver 111, and the motor driver 111 drives the stepping motor 106 to make a rotation angle of θ2 by this operation signal. When the stepping motor 106 rotates in the same direction as the operation direction of the steering wheel 104, the steering shaft 103 to which a rotational force is applied by the operator further rotates and the elasticity of the elastic body 105 (torsion spring constant k) and the stepping motor The motor 106 receives a reaction force due to the target torque. When the steering wheel 104 is further operated in the same direction according to the driving situation, the computer 108 calculates the rotation angle so as to drive the stepping motor 106 to maintain the torque T at the target value along with this rotation. When the target torque changes depending on the situation, the rotation angle of the stepping motor 106 can be calculated by the computer 108 in the same manner as described above, and a reaction force based on the desired target torque can be applied to the steering shaft 103.
[0014]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the current torque is converted from the difference between the angle detected by the rotary encoder and the rotation angle of the stepping motor, the motor is controlled so as to become the target torque. It is possible to provide a system that can be configured at a low price and can digitally process everything, and can faithfully simulate a reaction force with a target torque.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an embodiment according to the present invention.
FIG. 2 is an example of a configuration diagram of a conventional steering reaction force generating mechanism for a simulated driving apparatus using a spring type.
FIG. 3 is an example of a configuration diagram of a steering reaction force generating mechanism for a conventional simulated driving apparatus using a motor.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Base, 102 ... Frame, 103 ... Steering shaft, 104 ... Steering wheel, 105 ... Elastic body, 106 ... Stepping motor, 107 ... Gear, 108 ... Rotary encoder, 109 ... Belt, 110 ... Computer, 111 ... Motor driver .

Claims

A steering shaft and a stepping motor are connected via an elastic body, and an angle sensor output for detecting a rotation angle of the steering shaft and a target torque are received, and the elastic body of the steering shaft and the stepping motor that becomes the target torque is obtained. A steering reaction force generation mechanism for a simulated driving apparatus , which includes a computer that calculates an angle difference due to torsion and a motor driver that drives a stepping motor to achieve the angle difference, and generates a steering reaction force.