JP3956037B2 - 電動式パワーステアリングの制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、バッテリー・フォークリフト等の電動車両における電動式パワーステアリング機構の制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、バッテリー・フォークリフト等に見られるように産業車両の電動化が広く進められてきている。
【0003】
そしてそれら車両内の構成における電動化としては主走行や荷役作動部の駆動源に電動モータを使用するだけでなく、またハンドル操作における操舵力の軽減が要望されていることもあり、車輪の操舵駆動源に電動モータを利用したパワーステアリング機構が装備される傾向にある。
【0004】
図3はそのような1個の電動モータを独立駆動源として使用したパワーステアリング制御装置の一従来例の概略構成図である。
【0005】
この図において、バッテリ1が装置全体の直流電源として備えられており、車輪2である車輪の操舵出力を行う直流直巻型のパワーステアリングモータ(以降PSモータ3という)にデューティ比制御が行えるようドライブ・トランジスタ4が接続されている。そして車輪2の操舵軸と同軸に結合しているポテンショ・メーター5が連動し、また他方で運転者が直接操舵するハンドル6には同軸でパルスエンコーダ7が連動する。
【0006】
そしてパルスエンコーダ7によるハンドル操舵量・操舵速度、およびポテンショ・メータ5による車輪切れ角を検出して、それらに基づき一定の手順に従って判断・処理を行うCPU8、およびこれと連結して実際の制御信号を出力する駆動回路9によってドライブトランジスタ4の駆動制御が行われる構成となる。
【0007】
そして図4は上記パワーステアリング制御装置中における主要構成要素間での作動フローチャートを示すものである。
【0008】
まず最初に運転者のハンドル操作により入力されるハンドルの操舵量および操舵速度がハンドル軸周りに設置されている光学式等のパルスエンコーダ7によって検出・符号化されCPU8に入力される(S1)。
【0009】
ここで、この電気式パワーステアリング機構においては、ハンドル・シャフトと車輪周りの操舵機構との間には機構的な結合(リンク)がないため、従来、特にフォークリフト等における荷重物積載時に感じていた重操舵感がなく、ほとんど力を必要としない軽いハンドル操作が可能となっている。
【0010】
そしてCPU8は他方でその時点における実際の車輪切れ角を車輪操舵軸周りに設置したポテンショ・メータ5によってリアルタイムに検出し(S2)、前記の入力されたハンドル操舵量に対応する車輪切れ角との比較を行い、それらの間の差分角を算出する(S3)。
【0011】
そしてさらに上記のハンドル操舵量に対応する車輪切れ角とポテンショ・メーター5によって検出された実際の車輪切れ角の間の差分角、および前記入力されたハンドル操舵速度に基づいてハンドル6の切れ角(操舵回転位置)に追従するようにオン・デューティ比を算出し(S4)、駆動回路9を介してドライブトランジスタ4のデューティ比制御を行う(S5)ことでPSモータ3の回転速度および回転量が制御されることになり、それと連動して車輪2の操舵速度および操舵量の制御が行われる(S6)。
【0012】
そしてこのデューティ比制御によるPSモータ制御は、ハンドル操舵量に対応する角度位置に実際の車輪切れ角が常に一致するようにフィードバックループ制御として継続実行される。
【0013】
そして以上のフィードバックループ制御は電源が入っている間、つまりCPU8の電源スイッチであるキーSW(不図示)がオフされない限り約10ms周期で継続実行されるものとなる。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、摩擦の大きい車輪の操舵を行う上記PSモータの駆動には相当の電力を必要とし、バッテリ電力を大きく消費する構成要素の一つとなっていたため、従来よりPSモータの制御装置の設計においてPSモータへの通電電流量および通電時間の最小化は必須課題となっていた。
【0015】
そして上記産業車両の実際の使用現場においては走行路面上に段差や溝などが形成している場合も少なくなく、車両旋回中において運転者の操作ミス、またはその他の不測の事故などによりこれら走行路面上の不整形によって車輪の操舵が拘束される状態に陥る場合がある。
【0016】
このとき上記従来の制御構成においては前述したようなCPUのフィードバックループ制御が継続されるために実際の車輪切れ角と入力されたハンドル操舵量に対応する車輪切れ角が一致するようPSモータへの通電が継続し、長時間に渡る相当なバッテリ電力の消費、さらにはPSモータの熱的及び電気的損傷を招く結果となっていた。
【0017】
そこで本発明は上記問題点に鑑み運転者により入力されたハンドル操舵量に見合う必要分だけの電力量および通電時間のみによる制御を行うことでバッテリ電力の消費量の削減およびPSモータの損傷の最小限化・長寿命化を可能にする電動式パワーステアリング機構の制御装置の提供を課題とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために以下のように構成する。
【0019】
まず本発明は、ハンドルの操舵量に追従させて、電動モータの駆動により車輪の切れ角を制御する、電動車両のパワーステアリング制御装置に適用するものであり、該電動モータの駆動速度の制御を行うモータ駆動速度制御手段と、ハンドルの操舵量および操舵速度を検出する手段と該車輪の切れ角を検出する手段とを備えて、検出した該車輪の実際の切れ角と検出したハンドル操舵量に対応する切れ角との差分角、および検出した該ハンドル操舵速度に基づいて、該電動モータの駆動速度と、該ハンドル操舵量に見合った必要駆動時間とを算出し、該必要駆動時間の間だけ該電動モータを該駆動速度で駆動し、該必要駆動時間が経過したら該電動モータの駆動を停止するよう該モータ駆動速度制御手段の制御を行う電動モータ駆動制御手段とで構成される。
なお、前記電動モータ駆動制御手段は、例えば、検出された前記ハンドル操舵量を、検出された前記ハンドル操舵速度で割ることにより、前記必要駆動時間を算出することが可能である。
【0020】
これにより、ハンドル操作に忠実な車輪の追従操舵が可能でありながら、車両旋回中に車輪が拘束されるなどで操舵不能の状態に陥った場合でも一定時間後に自動的にPSモータ(電動モータ)への電流給電が停止し、それによりバッテリ電力のムダな消費を抑えて稼働時間を延ばすことが可能になるとともに、PSモータの損傷を防いで長寿命化を図ることが可能となる。
【0021】
また前記電動モータはデューティ比で駆動制御される直巻型直流モータであり、前記モータ駆動速度制御手段は該デューティ比制御のオン・デューティ比を設定することにより速度制御を行うよう構成される。
【0022】
これにより、上記の低消費電力型のPSモータ制御装置として最も効率がよく、かつ信頼性の高い具体的構成となる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【0024】
なお、本発明のパワーステアリング制御装置は、ハンドルの操舵量に追従させて車輪の切れ角を制御する構成を前提としており、当然ながらハンドルの操舵方向に対応した方向に車輪の方向を制御するようにしたものに適用されるのであるが、このような方向制御については本発明の主旨とは直接関係ないため、以下ではそのような方向制御についての説明は省略する。
【0025】
まず図1は、本発明の実施の形態にある電動式パワーステアリング制御装置の概略構成図である。
【0026】
この図において、まず複数のバッテリー・セルを直列に接続して構成するバッテリ1が装置全体における直流電源にあり、該パワーステアリング制御装置全体に対して具体的には48Vの安定した直流電力を供給するものとなる。
【0027】
そしてこのバッテリ1の正極には過電流による装置の電気的損傷を防止するためのフューズ10を介して、車輪の操舵駆動力源であるPSモータ3が接続されている。
【0028】
そしてこのPSモータ3とバッテリ負極との間に自己消弧可能なスイッチング素子であるドライブトランジスタ4が接続しており、そのゲート端子が後述する駆動回路9からの制御信号が入力可能なように接続している。
【0029】
そして滑り接触子により連続的に抵抗値を可変する構成にあるポテンショ・メーター5が、上記PSモータ3の駆動出力により操舵制御される車輪と同軸で設置され、連動することで車輪の車輪切れ角に対応する抵抗値をポテンショ値として検出し、後述するCPU12にこの検出値を出力するよう接続している。
【0030】
またディスク円周上に等間隔で多数個穿設したスリットに通過する固定光源からの光を検出する構成にある光学式のパルス・エンコーダ7が、運転者の直接操舵するハンドルと同軸で設置され、連動することでハンドルの操舵量および操舵速度に対応するパルス信号を検出し、後述するCPU12にこの検出値を出力するよう接続している。
【0031】
そして上記ポテンショ・メーター5からの車輪切れ角、およびパルス・エンコーダ7からのハンドル操舵量・操舵速度がそれぞれ符号化された検出値として入力され、それらに基づき一定の手順に従って判断・処理を行うCPU12、およびこれと連結して実際の制御信号を出力する駆動回路9によってドライブトランジスタ4の制御が行われる構成となる。
【0032】
次に図2は上記構成にある本実施形態の電動式パワーステアリング制御装置中における主要構成要素間での作動フローチャートを示すものである。
【0033】
まず最初に運転者が直接行う操作によって入力されるハンドルの操舵量および操舵速度がハンドルと同軸に設置されているパルスエンコーダ7によって検出・符号化されCPU12に入力される(S1)。
【0034】
ここで、本実施形態のパワーステアリング機構においては、ハンドル・シャフトと車輪周りの操舵機構との間には機構的な結合(リンク)がないため、従来、特にフォークリフト等における荷重物積載時に感じていた重操舵感がなく、ほとんど力を必要としない軽いハンドル操作が可能となっている。
【0035】
そしてCPU12は他方でその時点における実際の車輪切れ角を車輪操舵軸周りに設置したポテンショ・メーター5によってリアルタイムに検出し(S2)、前記の入力されたハンドル操舵量に対応する車輪切れ角との比較を行い、それらの間の差分角を算出する(S3)。
【0036】
そしてこの対応比較により実際の車輪切れ角とハンドル操舵量に対応する車輪切れ角とがほぼ一致しているか、つまり差分角がほぼ0に等しいか(許容誤差については任意に設定される)の判断を行い(S4)、ほぼ一致している(差分角がほぼ0)場合にはPSモータ3による車輪操舵駆動を行う必要がないとしてドライブ・トランジスタ4に対するデューティ比制御を停止するようオン・デューティ比を0%に設定して出力する(S5)。
【0037】
また(S4)の判断により実際の車輪切れ角とハンドル操舵量に対応する車輪切れ角が一致していないと判断された場合には、PSモータ3による車輪操舵駆動を行う必要があるものとして次に後述するタイマー・スイッチがオンの状態にあるかの判別を行う(S6)。
【0038】
ここでタイマー・スイッチがオフにあればこの時点からハンドル操舵に追従するための車輪の操舵駆動が開始されるものとして、上記差分角とハンドル操舵速度から車輪操舵時間Tと車輪操舵速度が設定される(S7)。具体的には車輪操舵時間TはCPU12に内蔵するタイマーの相当カウント数で、車輪操舵速度はPSモータ3の作動トルクを考慮した相当オン・デューティ比で算出・設定される。具体的にはハンドル操舵にかかった時間はハンドル操舵量をハンドル操舵速度で割った値で算出でき、そして車輪操舵時間Tはこの時間と一致させるようタイマーの相当カウント数が設定される。
【0039】
ここでタイマーについて詳しくは、車輪切れ角がハンドルの操舵量に対応一致(差分角=0)するよう追従作動を行うのに必要なPSモータ3の駆動時間の計測を行うためのCPU12内部に備える計時タイマーであり、タイマー・スイッチのオン・オフにより作動・不作動を切り替え、作動中にはタイマー・カウンターの値を時系列で自動的に加算するものである(タイマー、タイマー・スイッチ、タイマー・カウンターともに不図示)。
【0040】
そしてこの時点からタイマーの作動が始まるものとしてタイマー・カウンターの値を0にリセットし、タイマー・スイッチがオン状態に入れられる(S8)。
【0041】
次に(S6)でタイマー・スイッチがすでにオン状態にあると判断した場合も含めて、タイマー・カウンターの値が操舵時間T以上に達したか、つまり車輪の操舵必要時間が経過したか判断される(S9)。
【0042】
ここで操舵必要時間が経過したと判断した場合には、車輪の操舵駆動が終了してハンドルと車輪の切れ角が一致したものと見なされ、タイマー・スイッチがオフ状態に、さらに差分角の値を0に設定し(S10)、ドライブ・トランジスタ4に対しオン・デューティ比を0%に設定して出力(S5)することでPSモータ3の駆動制御を停止する(S12)。そしてこの後には新たなハンドル操舵が検出されない限りPSモータ3の駆動停止状態が継続することになる。
【0043】
また(S9)で車輪追従操舵の実行中であると判断した場合には、(S7)ですでに設定してあるオン・デューティ比をドライブ・トランジスタ4に対して出力する(S11)ことで設定した車輪操舵速度となるようPSモータ3の駆動制御が継続実行される(S12)。そしてPSモータ3に結合した車輪が操舵制御され(S13)、この制御された切れ角が操舵軸に同軸に設置しているポテンショ・メーター5の検出によりフィード・バックされる(S2)。
【0044】
そして以上のフィードバックループ制御は電源が入っている間、つまりCPU12の電源スイッチであるキーSW11がオフされない限り約10msの作動周期で継続実行されるものとなる。
【0045】
そして以上のような制御構成によれば、前述したような走行路面上の不整形などによる不慮の車輪の拘束によって操舵不能の状態に陥った場合でも(ハンドル操舵量に見合った)必要駆動時間経過後にはオン・デューティ比が0%に設定され、PSモータ3の駆動制御が停止することになる。
【0046】
これによりハンドルと車輪の対応操舵角が一致しないままの操舵制御の継続、つまりその間のムダな電力消費の継続が回避され、バッテリ電力消費の低減、ひいてはバッテリ稼働時間の延長が可能となり、さらにはPSモータの熱的、電気的損傷を防ぐ構成となる。
【0047】
また車輪の操舵方向の制御を行うための構成例として、出力部における電流の通電方向の切り替え制御を行うHブリッジ回路にPSモータを組み込む構成がある。
【0048】
また上記ハンドルの操舵量・操舵速度の検出・符号化を行う具体的構成としては上記パルスエンコーダに限定せず、例えば上記車輪切れ角の検出手段と同じくポテンショ・メーターを利用した構成とすることも可能である。
【0049】
その場合、ハンドル切れ角の初期位置角度を設定し、それに対する絶対操舵角が検出可能となるため、ハンドル操舵方向の検出および車輪切れ角との誤差の検出・補正が正確かつ容易に行えるものとなる。
【0050】
またほかにもパルスエンコーダによるハンドル操舵量を検出する場合でもディスク面上の一点に基準位置孔を穿設し、その回動通過の検出および等間隔で穿設した多数のスリットの通過検出・計数を合わせて行う構成としても上記のハンドル絶対操舵角の検出が可能となる。
【0051】
【発明の効果】
以上、詳細に説明した通り本発明の電動式パワーステアリング機構の制御装置によれば、運転者により入力されたハンドル操舵量に見合う必要分だけの電力量および通電時間のみでの制御を行うことで、走行路面上の不整形のために不慮の車輪の拘束によって操舵不能の状態に陥った場合でもハンドル操舵量に見合った必要駆動時間経過後にはオン・デューティ比が0%に設定され、PSモータの駆動制御が停止される。それにより、バッテリー電力の消費量の削減およびPSモータの損傷の最小限化・長寿命化が可能な構成となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態にある電動式パワーステアリング制御装置の概略構成図である。
【図2】 本実施形態の電動式パワーステアリングの制御装置中における主要構成要素間での作動フローチャートを示すものである。
【図3】 パワーステアリング制御装置の一従来例の概略構成図である。
【図4】 パワーステアリング制御装置中における主要構成要素間での作動フローチャートを示すものである。
【符号の説明】
1 バッテリ
2 車輪
3 PSモータ
4 ドライブ・トランジスタ
5 ポテンショ・メーター
6 ハンドル
7 パルスエンコーダ
8 従来の構成に使用するCPU
9 駆動回路
10 フューズ
11 キーSW
12 本発明の構成に使用するCPU
Claims (3)
- ハンドルの操舵量に追従させて、電動モータの駆動により車輪の切れ角を制御する、電動車両のパワーステアリング制御装置において、
該電動モータの駆動速度の制御を行うモータ駆動速度制御手段と、
ハンドルの操舵量および操舵速度を検出する手段と該車輪の切れ角を検出する手段とを備えて、検出した該車輪の実際の切れ角と検出したハンドル操舵量に対応する切れ角との差分角、および検出した該ハンドル操舵速度に基づいて、該電動モータの駆動速度と、該ハンドル操舵量に見合った必要駆動時間とを算出し、該必要駆動時間の間だけ該電動モータを該駆動速度で駆動し、該必要駆動時間が経過したら該電動モータの駆動を停止するよう該モータ駆動速度制御手段の制御を行う電動モータ駆動制御手段と、
で構成することを特徴とする電動式パワーステアリングの制御装置。 - 前記電動モータはデューティ比で駆動制御される直巻型直流モータであり、前記モータ駆動速度制御手段は該デューティ比制御のオン・デューティ比を設定することにより速度制御を行うことを特徴とする請求項1記載のパワーステアリング制御装置。
- 前記電動モータ駆動制御手段は、検出された前記ハンドル操舵量を検出された前記ハンドル操舵速度で割ることにより前記必要駆動時間を算出することを特徴とする請求項1又は2記載のパワーステアリング制御装置。
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