JP4419556B2 - 車両用操舵装置 - Google Patents

Description

本発明は、ステアリングギア比を変化させるステアリングギア比可変手段と、運転者の操舵力を補助する操舵補助力発生手段とを備えた車両用操舵装置の技術分野に属する。

従来の車両用操舵装置は、可変ギア比アクチュエータにて操向輪転舵角制御をするために必要なトルクと、可変ギア比アクチュエータの規定トルクとの差分を、パワーアシストアクチュエータによって補償している（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−７８９４５号公報

しかしながら、上記従来技術にあっては、可変ギア比アクチュエータに異常電流が流れた場合、パワーアシストアクチュエータは、電流過剰量を補償するため、可変ギア比アクチュエータのトルク出力方向と逆向きのトルクを発生させる。

このとき、低車速域では操向輪のセルフステアによって、操向輪は転舵されず車両挙動の変化は抑えられるものの、反対にステアリングホイールが回転し、運転者に違和感を与えるという問題があった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、可変ギア比アクチュエータの異常電流に起因する低車速域でのステアリングホイールの回転を防止できる車両用操舵装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明では、ステアリング操舵角に対する操向輪転舵角を可変する可変ギア比アクチュエータと、走行状態に応じた電流指令値を演算し、この電流指令値に基づいて前記可変ギア比アクチュエータを制御する可変ギア比アクチュエータ制御手段と、操舵機構に操舵補助力を付与するパワーアシストアクチュエータと、前記可変ギアアクチュエータの電流指令値と実電流値との差に基づいて補償電流値を演算する補償電流値演算手段と、演算された補償電流値に基づいて前記パワーアシストアクチュエータを制御するパワーアシストアクチュエータ制御手段と、を備えた車両用操舵装置において、車速を検出する車速検出手段と、車速に応じて補償電流値を補正する補償電流値補正手段と、を設け、前記補償電流値補正手段は、車速があらかじめ設定された低車速しきい値以下のとき、パワーアシストアクチュエータの操舵補助力発生方向が可変ギア比アクチュエータによる操向輪転舵方向と一致するように、補償電流値を補正することを特徴とする。

本発明にあっては、可変ギア比アクチュエータに過剰電流が流れたとき、低車速域ではパワーアシストアクチュエータの出力が可変ギア比アクチュエータの回転方向と一致する。よって、可変ギア比アクチュエータの異常電流に起因する低車速域でのステアリングホイールの回転を防止でき、運転者に与える違和感を防止できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例１と実施例２に基づいて説明する。

まず、構成を説明する。
図１は実施例１の車両用操舵装置を示す全体システム図であり、車両用操舵装置は、ステアリングホイール１と、コラムシャフト２と、VGRSモータ３ａを備える可変ギア比アクチュエータと、EMPSモータ４ａを備えたパワーアシストアクチュエータと、ステアリングギア５と、ステアリングラック６と、前輪（操向輪）７，７と、操舵角センサ８ａと、転舵角センサ８ｂと、トルクセンサ９と、車速センサ（車速検出手段）１０と、VGRS/EMPSコントローラ１１と、を備えている。

ステアリングホイール１は、図示しない車室内の運転者と対向する位置に、コラムシャフト２の軸周りに回動可能に設けられている。コラムシャフト２の回転は、ステアリングギア５を介してステアリングラック６に入力される。ステアリングラック６は、図示しない車両前部に、左右方向摺動可能に固定されており、その両端は、左右のタイロッドを介して前輪７，７へ連結されている。

可変ギア比アクチュエータ３は、コラムシャフト２に入力される運転者の操舵トルクに対し、VGRS（バリアブル・ギア・レシオ・ステアリング）モータ３ａの発生トルクを加算することで、ステアリング操舵角に対する操向輪転舵角の比であるステアリングギア比を可変とするものである。VGRSモータ３ａに供給される電流は、VGRS/EMPSコントローラ１１により制御されている。

パワーアシストアクチュエータ４は、可変ギア比アクチュエータ３にてステアリング操舵角に基づく操向輪転舵角を制御するために必要なトルクの少なくとも一部を、EMPS（電動モータ式パワーステアリング）モータ４ａの発生トルクにより補償するものである。EMPSモータ４ａに供給される電流は、VGRS/EMPSコントローラ１１により制御されている。

操舵角センサ８ａは、例えばパルスエンコーダ等を用いて、ステアリングホイール１の操舵角を検出する。検出された操舵角は、VGRS/EMPSコントローラ１１へ出力される。転舵角センサ８ｂは、ステアリングギア５のピニオン軸角、すなわち前輪７，７の転舵角を検出する。検出された転舵角は、VGRS／EMPSコントローラ１１へ出力される。

トルクセンサ９は、例えばトーションバー等を用いて、コラムシャフト２に入力される操舵トルクを検出する。検出された操舵トルクは、VGRS/EMPSコントローラ１１へ出力される。車速センサ１０は、例えば車輪速センサ等を用いて、車速を検出し、VGRS/EMPSコントローラ１１へ出力する。

VGRS/EMPSコントローラ１１は、操舵角、転舵角および車速に基づいて、ステアリングギア比を設定し、このステアリングギア比となるように、VGRSモータ３ａの駆動電流を制御する。また、VGRS/EMPSコントローラ１１は、操舵トルクとVGRSモータ３ａに出力された駆動電流値に基づいて、EMPSモータ４ａの駆動電流を制御する。

図２は、VGRS／EMPSコントローラ１１の制御ブロック図である。VGRS/EMPSコントローラ１１は、VGRS指令電流計算部１１ａと、VGRSモータ駆動回路１１ｂと、異常電流処理部（補償電流値補正手段）１１ｃと、EMPS指令電流計算部１１ｄと、EMPSモータ駆動回路１１ｅと、とを備えている。

VGRS指令電流計算部１１ａは、操舵角、転舵角および車速に基づいて、VGRS指令電流値を演算し、VGRSモータ駆動回路１１ｂへ出力する。

VGRSモータ駆動回路１１ｂは、VGRSモータ３ａに流れる電流値がVGRS指令電流値に近づくように、VGRSモータ３ａを駆動する。このVGRSモータ駆動回路１１ｂとVGRS指令電流計算部１１ａとで、可変ギア比アクチュエータ制御手段が構成される。

異常電流処理部１１ｃは、VGRS指令電流値と、電流センサ１２で検出されたVGRSモータ３ａに流れるVGRSモータ検出実電流値との差と、車速に基づいて、EMPS補償電流値を演算する。

EMPS指令電流計算部１１ｄは、操舵トルクからEMPS指令電流値を演算する。EMPS指令電流値はEMPS補償電流値と足し合わされ、EMPS補正後指令電流値としてEMPSモータ駆動回路１１ｅに出力される。

EMPSモータ駆動回路１１ｅは、EMPSモータ４ａに流れる電流値がEMPS補正後指令電流値に近づくように、EMPSモータ４ａを駆動する。このEMPSモータ駆動回路１１ｅとEMPS指令電流計算部１１ｄとで、パワーアシストアクチュエータ制御手段が構成される。

図３は、異常電流処理部１１ｃの制御ブロック図である。
VGRS指令電流IF*からVGRSモータ検出実電流IFを減算した電流不足量ΔIFは、異常電流補償マップ（電流補償ゲイン設定部）Ｇmapに入力される。異常電流補償マップＧmapでは、電流不足量ΔIFに対し、車速に応じて設定される異常電流補償ゲインＧが掛け合わされ、補償電流不足量ΔI~FとしてVGRS電流→EMPS電流変換部（補償電流値補正部）１３へ出力される。

VGRS電流→EMPS電流変換部１３は、VGRS電流としての電流不足量ΔI~FをEMPS補償電流Δ~IPに換算する。

図４は、可変ギア比アクチュエータの構造を示す断面図である。
ステアリングコラムと連結されたアッパシャフト２１には、インプットシャフト２２が圧入固定されている。インプットシャフト２２の先端には、ガイド溝２２ａが全周にわたって形成されている。アウトプットシャフト２５は、インプットシャフト２２に対して相対回転可能に設けられ、ステアリングギア５（図１）と連結されている。アウトプットシャフト２５の外周面には、ボールねじ溝３０が形成されている。

スライダ２３は、内周面がアウトプットシャフト２５の外周面に微小隙間を介して配置されて軸方向への移動が許容されている。また、ステアリングコラム３１内に挿通された一端部側の外周面に、インプットシャフト２２のガイド溝２２ａに嵌合して軸方向移動可能とするガイド突起（図示せず）が、軸方向に沿って形成されている。

スライダ２３には、複数のボール２４を転動自在に保持するボール保持孔２９が形成されている。ボール２４は、ボール保持孔２９とアウトプットシャフト２５のボールねじ溝３０との間で転動自在に挟持されている。

スライダ２３は、スライダアーム２８に回動自在に支持され、スライダアーム２８は、リードスクリュー軸２７に軸方向移動可能にねじ込まれている。リードスクリュー軸２７の一端部には、ヘリカルギア３２が固定され、このヘリカルギア３２は、VGRSモータ２０のモータ回転軸に連結されたピニオン３１と接続している。

次に、可変ギア比アクチュエータ３の作動を説明する。
VGRSモータ２０を作動させない場合、ステアリングホイール１に入力された操作力がアッパシャフト２１からインプットシャフト２２およびスライダ２３、各ボール２４を介してアウトプットシャフト２５に伝達される。すなわち、入出力の回転角度差が生じない状態でそのままステアリングギア５を介して前輪７，７に伝達される。

VGRSモータ２０を作動させた場合、リードスクリュー軸２７が一方向へ回転することによりスライダアーム２８を軸方向へストロークさせ、各ボール保持孔２９の孔縁で各ボール２４を一方向に押し出すため、各ボール２４が転動しながらストローク移動してボールねじ溝３０内でボールねじ溝３０の螺旋形状に沿ってアウトプットシャフト２５の所定速度の回転運動トルクを付与する。すなわち、アウトプットシャフト２５は、ステアリングホイール１の操舵角変化よりも大きな変化量で一方向に回転し、ステアリングギア５を介して前輪７，７を大きな転舵角で転舵させる。

次に、作用を説明する。
[異常電流補償制御処理]
図５は、異常電流処理部１１ｃで実行される異常電流補償制御処理の流れを示すフローチャートであり、以下、各ステップについて説明する。

ステップS1では、VGRS指令電流IF*からVGRSモータ検出実電流IFを減算し、電流不足量ΔIFを算出してステップS2へ移行する。
ΔIF＝IF*−IF …式１

ステップS2では、車速センサ１０から出力された車両の実車速Ｖと異常電流補償マップＧmapから、異常電流補償ゲインＧを求め、ステップS3へ移行する。

ステップS3では、異常電流補償ゲインＧを電流不足量ΔIFに乗じ、補償電流不足量ΔI~Fを演算し、ステップS4へ移行する。

ΔI~F＝（IF*−IF）×Ｇmap …式２
なお、異常電流補償マップＧmapは、図６に示すように、低車速域では負のゲインに、高車速域では正のゲインになるように設定されている。低車速域と高車速域の境界は、あらかじめ設定された低車速域しきい値Ｖ₀に基づいて設定されている。Ｖ₀は例えば、VGRSモータ２０に異常電流が流れた場合に、ステアリングホイール１が回転する車速の上限車速とする。

ステップS4では、VGRS電流→EMPS電流変換部１３において、VGRS電流としての電流不足量ΔI~FをEMPS補償電流ΔI~Pに換算し、本制御を終了する。

ステップS1〜ステップS4の処理により、EMPS指令電流計算部１１ｄから出力されるEMPS指令電流IP*とVGRS→EMPS電流変換部１３から出力されるEMPS補償電流Δ~IPとが加算され、EMPS補正後指令電流値が得られる。

［異常電流補償制御作用］
図７は、従来のVGRS/EMPSコントローラの異常電流補償部を示すブロック図である。
図に示すように、従来の異常電流補償部では、VGRS指令電流IF*からVGRSモータ検出実電流IFを減算した電流不足量ΔIFは、補償電流不足量ΔI~FとしてVGRS電流→EMPS電流変換部へ出力され、EMPS電流値ΔIPとしてEMPSモータ駆動回路に出力される。

ここで、VGRSモータに異常な大電流が流れた場合、VGRS指令電流IF*からVGRSモータ異常電流検出値IFを減算して求まる電流不足量ΔIFは、IF*<IFの関係から、ΔIF<０となる。すなわち、EMPSモータに対し、VGRSモータによる回転と反対方向にトルクが発生する。この場合、操向輪は転舵されにくくなり車両挙動の変化は抑えられるものの、反対にステアリングホイールが回転し、運転者に違和感を与えることがある。

これは、図４に示した構造の可変ギア比アクチュエータ３に特有の問題であり、図４において、アウトプットシャフト２５にトルクステアが入力されると、各ボール２４、スライダ２３、インプットシャフト２２およびアッパシャフト２１を介してステアリングホイール１が回転するのに起因している。

これに対し、実施例１の車両用操舵装置では、電流不足量ΔIF<０に対し、図５に示した異常電流補償マップＧmapから、異常電流補償ゲインＧを求めΔIFに乗じる。このとき、高車速域ではゲインＧが正に設定されているため、VGRSモータ３ａの回転と反対方向にアシストトルクを発生し、車両挙動の変化が抑えられる。

一方、低車速域では、ゲインが負に設定されているため、VGRSモータ３ａの回転と同一方向にアシストトルクを発生する。その結果、前輪７，７が転舵され、ステアリングホイール１の回転が抑えられる。

図８は、車速に応じた安全なセルフステア角度の特性図である（ＢＭＷ学会論文:Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnk2002のActive Steering-Requirements for System and Development Process参照）。
この特性によると、低車速域では高車速域に比べて、異常電流によるセルフステア角度の許容値が大きいため、前輪７，７が転舵されてもステアリングホイール１の回転を抑えることが有効となる。

すなわち、実施例１では、異常電流に対して負〜正のゲインを乗じた値を用いてアシストトルクの補償を行うため、異常電流発生時に前輪７，７が転舵されるか、ステアリングホイール１が回転するかを車速に応じて自由に設定できる。

次に、効果を説明する。
実施例１の車両用操舵装置にあっては、以下に列挙する効果が得られる。

(1) EMPSモータ４ａは、異常電流発生時、低車速域ではVGRSモータ３ａの回転と同一方向にアシストトルクを発生するため、前輪７，７が転舵され、ステアリングホイール１の回転が抑えられる。

(2) EMPSモータ４ａは、異常電流発生し、低車速域より高い車速域ではVGRSモータ３ａの回転と逆方向にアシストトルクを発生するため、車両挙動の変化を抑制できる。

（他の実施例）
以上、本発明を実施するための最良の形態を、実施例１に基づいて説明したが、本発明の具体的な構成は実施例１に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。

実施例１の車両用操舵装置を示す全体システム図である。 VGRS／EMPSコントローラ１１の制御ブロック図である。 異常電流処理部１１ｃの制御ブロック図である。 可変ギア比アクチュエータの構造を示す断面図である。 異常電流処理部１１ｃで実行される異常電流補償制御処理の流れを示すフローチャートである。 車速に応じた異常電流補償マップである。 従来のVGRS/EMPSコントローラの異常電流補償部を示すブロック図である。 車速に応じた安全なセルフステア角度の特性図である。

符号の説明

１ ステアリングホイール
２ コラムシャフト
３ 可変ギア比アクチュエータ
３ａ モータ
４ パワーアシストアクチュエータ
４ａ モータ
５ ステアリングギア
６ ステアリングラック
７ 前輪
８ａ 操舵角センサ
８ｂ 転舵角センサ
９ トルクセンサ
１０ 車速センサ
１１ コントローラ
１１ａ VGRS指令電流計算部
１１ｂ VGRSモータ駆動回路
１１ｃ 異常電流処理部
１１ｄ EMPS指令電流計算部
１１ｅ EMPSモータ駆動回路
１２ 電流センサ
１３ 電流変換部
２０ モータ
２１ アッパシャフト
２２ インプットシャフト
２２ａ ガイド溝
２３ スライダ
２４ ボール
２５ アウトプットシャフト
２７ リードスクリュー軸
２８ スライダアーム
２９ ボール保持孔
３０ ボールねじ溝
３１ ピニオン
３２ ヘリカルギア
３３ ステアリングコラム

Claims (3)

1. ステアリング操舵角に対する操向輪転舵角を可変する可変ギア比アクチュエータと、
   走行状態に応じた電流指令値を演算し、この電流指令値に基づいて前記可変ギア比アクチュエータを制御する可変ギア比アクチュエータ制御手段と、
   操舵機構に操舵補助力を付与するパワーアシストアクチュエータと、
   前記可変ギアアクチュエータの電流指令値と実電流値との差に基づいて補償電流値を演算する補償電流値演算手段と、
   演算された補償電流値に基づいて前記パワーアシストアクチュエータを制御するパワーアシストアクチュエータ制御手段と、
   を備えた車両用操舵装置において、
   車速を検出する車速検出手段と、
   車速に応じて補償電流値を補正する補償電流値補正手段と、
   を設け、
   前記補償電流値補正手段は、車速があらかじめ設定された低車速しきい値以下のとき、パワーアシストアクチュエータの操舵補助力発生方向が可変ギア比アクチュエータによる操向輪転舵方向と一致するように、補償電流値を補正することを特徴とする車両用操舵装置。
2. 請求項１に記載の車両用操舵装置において、
   前記補償電流値補正手段は、
   車速に応じて電流補償ゲインを設定する電流補償ゲイン設定部と、
   前記補償電流値に電流補償ゲインを乗算する補償電流値補正部と、
   を備え、
   前記電流補償ゲイン設定部は、車速が低車速しきい値以下のとき、前記電流補償ゲインを負に設定することを特徴とする車両用操舵装置。
3. 請求項２に記載の車両用操舵装置において、
   前記電流補償ゲイン設定部は、検出された車速が低車速しきい値を超えるとき、電流補償ゲインを正に設定することを特徴とする車両用操舵装置。

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