JP4442314B2 - 車両用操舵装置 - Google Patents

Description

本発明は、操作入力手段とステアリング機構とが機械的に切り離された、いわゆるステアバイワイヤ方式による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では、据え切り操舵時において操舵反力用モータで付与する操舵反力トルクを、ステアリングホイールの操舵角度に応じた指令転舵角度と、その指令転舵角度により動作する転舵角度（またはタイロッドの変位）との偏差に応じて設定している（例えば、特許文献１，特許文献２参照）。
特開平６−３０５４３３号公報 特開平１１−２２６３４６号公報

しかしながら、上記従来技術にあっては、転舵側の制御が頑強で、操舵側からの指令転舵角度に対する追従性が高い場合には、前記偏差が少なくなり、操舵反力トルクがほとんど発生しない。その結果、ステアリングホイールの操舵が軽くなることで、運転者はステアリングホイールを切り過ぎてしまう。よって、その操舵角度に応じて動作する転舵側も目標の転舵角度に対して、切り過ぎてしまうことになる。従って、据え切り操舵時は、路面との摩擦により、高負荷状態であるにもかかわらず指令転舵角に追従しようとすることで、転舵用モータに余分な熱負荷が発生す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、据え切り操舵時における転舵用アクチュエータの負荷軽減を図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、操舵手段に操舵反力トルクを発生させる操舵反力用アクチュエータと、左右の転舵輪を転舵させる転舵用アクチュエータと、前記操舵手段の操舵角度に応じて指令転舵角度を算出する指令転舵角算出手段と、算出された指令転舵角度と実転舵角度との偏差に基づいて制御指令値を算出し、該制御指令値を前記操舵反力用アクチュエータに対して出力する操舵反力制御手段と、前記転舵用アクチュエータに対し、算出された指令転舵角度を得る制御指令値を出力する転舵制御手段と、を備えた車両用操舵装置において、
据え切り操舵を判断する据え切り操舵判断手段を設け、
前記指令転舵角算出手段は、据え切り操舵時、操舵反力トルクがあらかじめ設定されたしきい値よりも小さいとき、指令転舵角度を制限することを特徴とする。

本発明の車両用操舵装置にあっては、据え切り操舵時、操舵反力トルクがしきい値よりも小さい場合には、操舵角度が変化しても指令転舵角度が制限される。よって、転舵輪の転舵角度が指令転舵角度と一致している場合には、操舵角度が変化しても転舵用アクチュエータは動作しないため、据え切り操舵時の転舵用アクチュエータの余分な熱負荷を低減できる。

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の車両用操舵装置が適用されたステアバイワイヤシステムを示す全体図、図２は実施例１の車両用操舵装置の操舵反力制御系および転舵角度制御系の全体構成を示す図である。

実施例１装置が適用されたステアバイワイヤシステムは、図１に示すように、ステアリングホイール（操舵手段）１および操舵反力用アクチュエータ２を有する操舵反力装置３と、転舵輪４，５および転舵用アクチュエータ６を有する転舵装置７と、の間に機械的なつながりがない。

前記操舵反力装置３は、ステアリングホイール１と、ステアリングコラムシャフト８と、このステアリングコラムシャフト８に対し減速ギア機構を介して設けられた操舵反力用アクチュエータ２と、を有する。

前記操舵反力用アクチュエータ２は、クラッチ付きの操舵反力用モータ２ａを備え、モータ軸の回転数を検出する操舵反力用モータ角度検出手段としての操舵反力用モータ角度センサ９が付設されている。この操舵反力用モータ角度センサ９は、操舵角度を検出する操舵角度検出手段として用いられる。

前記操舵反力用アクチュエータ２を制御する電子制御手段として、操舵反力装置用コントローラ（操舵反力制御手段）１０が設けられ、この操舵反力装置用コントローラ１０には、操舵反力用モータ角度センサ９と、車速検出手段としての車速センサ１１とから入力情報が供給される。

前記操舵反力装置用コントローラ１０は、車速と操舵角度に基づいて転舵輪４，５の指令転舵角度を算出する指令転舵角算出手段と、指令転舵角度と実転舵角度との偏差に基づいて操舵反力用モータ２ａのモータ制御指令値を算出するモータ制御指令値算出手段と、モータ制御指令値を操舵反力用アクチュエータ２の指令電流に変換するモータ駆動回路によるモータ駆動手段と、を有する。

前記転舵装置７は、転舵用アクチュエータ６と、この転舵用アクチュエータ６により駆動されるステアリングギア機構１２と、このステアリングギア機構１２の両端部に設けられた動作変換機構１３，１４を介して連結された転舵輪４，５と、を有する。

前記転舵用アクチュエータ６は、操舵反力用アクチュエータ２と同様に、クラッチ付きの転舵用モータ６ａを備え、モータ軸の回転数を検出する転舵用モータ角度検出手段としての転舵用モータ角度センサ１５が付設されている。この転舵用モータ角度センサ１５は、転舵角度を検出する転舵角度検出手段として用いられる。

前記転舵用アクチュエータ６を制御する電子制御手段として、転舵装置用コントローラ（転舵制御手段）１６が設けられ、この転舵装置用コントローラ１６と前記操舵反力装置用コントローラ１０とは、互いに情報を交換し合う双方向通信線１７により連結されている。この転舵装置用コントローラ１６には、転舵用モータ角度センサ１５からの入力情報が供給される。

前記転舵装置用コントローラ１６は、操舵反力装置用コントローラ１０の指令転舵角算出手段により算出された指令転舵角度に基づいて転舵用モータ６ａのモータ制御指令値を算出するモータ制御指令値算出手段と、モータ制御指令値を転舵用アクチュエータ６の指令電流に変換するモータ駆動回路によるモータ駆動手段と、を有する。

次に、作用を説明する。
［指令転舵角度算出制御処理］
図３は、操舵反力装置用コントローラ１０の指令転舵角算出手段において、所定周期毎に実行される指令転舵角度算出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3-1では、車速センサ１１からの車速Ｖ、あらかじめ算出されていた実操舵角度θs（θs＝θms／Rs，θms:操舵反力用モータ２ａのモータ角度，Rs：モータ〜ステアリングシャフト間ギア比）および操舵反力用モータ２ａに流れた実電流値Is、転舵装置用コントローラ１６から実転舵角度θtを読み込み、ステップ3-2へ移行する。

ステップ3-2では、ステップ3-1で読み込んだ実操舵角度θsに応じて転舵側への指令転舵角度θtaを算出し、ステップ3-3へ移行する。このとき、ギア比を可変とする場合も考慮すると、指令転舵角度θtaは下記の式(1)のようになる。
θta＝θs×Rst …(1)
なお、Rstは、操舵〜転舵間ギア比である。

ステップ3-3では、ステップ3-1で読み込んだ車速Ｖがしきい値Ｖth以下であるかどうかを判定する（据え切り操舵判断手段に相当）。YESの場合にはステップ3-4へ移行し、NOの場合にはステップ3-8へ移行する。

ステップ3-4では、ステップ3-1で読み込んだ操舵反力用モータ２ａに流れた電流値Isから操舵反力トルクTsを算出し、ステップ3-5へ移行する。

ステップ3-5では、ステップ3-4で算出した操舵反力トルクTsがしきい値Tth以上であるかどうかを判定する。YESの場合にはステップ3-6へ移行し、NOの場合にはステップ3-7へ移行する。

ステップ3-6では、ステップ3-2で算出した指令転舵角度θtaにローパスフィルター処理を施し、これにより算出された値を新たな指令転舵角度θtaとし、ステップ3-8へ移行する。

ステップ3-7では、前回ステップ3-6へ移行したときに算出されたローパスフィルター処理後の値を新たな指令転舵角度θtaとする。この初期値は、ステップ3-1で転舵装置用コントローラ１６から読み込んだ実転舵角度θtとする。

ステップ3-8では、ステップ3-2、ステップ3-6またはステップ3-7で算出した指令転舵角度θtaを、転舵制御を行う転舵装置用コントローラ１６に送信し、リターンへ移行する。

［指令転舵角度算出制御作動］
（通常モード）
車速Ｖがしきい値Ｖthよりも大きい場合には、図３のフローチャートにおいて、ステップ3-1→ステップ3-2→ステップ3-3→ステップ3-8へと進む流れとなる。すなわち、ステップ3-8において、ステップ3-2で算出された指令転舵角度θtaが転舵装置用コントローラ１６へ送信される。

（据え切りモード）
車速Ｖがしきい値Ｖth以下の場合には、図３のフローチャートにおいて、ステップ3-1→ステップ3-2→ステップ3-3→ステップ3-4→ステップ3-5へと進む。

ステップ3-5において、操舵反力トルクTsがしきい値Tth以上である場合には、ステップ3-6→ステップ3-8へと進み、ステップ3-8において、ステップ3-2で算出した指令転舵角度θtaにローパスフィルター処理を施した値が、転舵装置用コントローラ１６へ送信される。

一方、ステップ3-5において、操舵反力トルクTsがしきい値Tthよりも小さい場合には、ステップ3-7→ステップ3-8へと進み、ステップ3-8において、前回ステップ3-6へ移行したときに算出されたローパスフィルター処理後の値が、転舵装置用コントローラ１６へ送信される。よって、指令転舵角度θtaは前回値のまま保持される。

［据え切り操舵時の指令転舵角度算出作用］
図４に、ステアリングホイール１を一定速で操舵したときの指令転舵角度θtaの変化を示す。

従来装置では、常に操舵角度に応じて指令転舵角度が決定されていたため、指令転舵角度θtaは、破線に示されるような直線になる。

これに対し、実施例１装置では、ステアリングホイール１が操舵されて操舵角度が変化しても、操舵反力トルクTsがあるしきい値Tth以上にならないと、指令転舵角度θtaは前回ローパスフィルター処理された後の値のままであり、操舵反力トルクTsがしきい値Tth以上とならない限り、指令転舵角度θtaは一定値を保つこととなる（図４の時間軸０〜t1，t2〜t3，t4〜t5の各区間とt6以降）。

一方、操舵反力トルクTsがしきい値Tth以上の場合には、指令転舵角度θtaは、操舵角度に応じて決定された値（破線）にローパスフィルター処理を施すため、図に示すような曲線となる（図４の時間軸t1〜t2，t3〜t4，t5〜t6の各区間）。

これらを組み合わせると、実線で示される波形となる。また、同様の操舵（ステアリングホイール１を一定速で操舵）をした場合、ローパスフィルターの時定数を変えることで指令転舵角度θtaの曲線が変わり、操舵角度と転舵角度との偏差も変化するため、この偏差によって生じる操舵反力トルクTsの大きさも変化する。したがって操舵反力トルクTsのしきい値Tthを下回るまでの時間も変化する。時定数を大きく設定した場合、その時間は長くなり、反対に時定数を小さく設定した場合、その時間は短くなる。一方、ローパスフィルターの時定数を一定として操舵反力トルクTsのしきい値Tthを変化させた場合には、指令転舵角度θtaが一定となっている時間が変化する。しきい値Tthを大きく設定した場合、その時間は長くなり、反対にしきい値Tthを小さく設定した場合、その時間は短くなる。

［指令操舵反力電流のリミッター処理］
図５は、操舵反力装置用コントローラ１０のモータ制御指令値算出手段で実行される指令操舵反力電流のリミッター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5-1では、操舵反力装置用コントローラ１０で算出された操舵反力側の指令電流Isaを読み込み、ステップ5-2へ移行する。

ステップ5-2では、ステップ5-1で読み込んだ操舵反力側の指令電流Isaが、モータ保護用としてあらかじめ決められたリミット値Ism以上かどうかを判定する。YESの場合にはステップ5-3へ移行し、NOの場合にはリターンへ移行する。

ステップ5-3では、リミット値Ismでリミッター処理を行い、リターンへ移行する。

すなわち、指令電流Isaがリミット値Ism以下に抑えられるため、操舵反力用モータ２ａの定格値を超えた指令転舵電流Ｉsaが算出された場合に、操舵反力用モータ２ａに過剰電流が流れるのが防止される。

［指令転舵電流のリミッター処理］
図６は、転舵装置用コントローラ１６のモータ制御指令値算出手段で実行される指令転舵電流のリミッター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6-1では、転舵装置用コントローラ１６で算出された転舵側の指令電流Itaを読み込み、ステップ6-2へ移行する。

ステップ6-2では、ステップ6-1で読み込んだ転舵側の指令電流Itaが、モータ保護用としてあらかじめ決められたリミット値Itm以上かどうかを判定する。YESの場合にはステップ6-3へ移行し、NOの場合にはリターンへ移行する。

ステップ6-3では、リミット値Itmでリミッター処理を行い、リターンへ移行する。

すなわち、指令電流Itaがリミット値Itm以下に抑えられるため、転舵用モータ６ａの定格値を超えた指令転舵電流Ｉtaが算出された場合に、転舵用モータ６ａに過剰電流が流れるのを防止できる。

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、下記の効果が得られる。

(1) 操舵反力装置用コントローラ１０の指令転舵角算出手段は、据え切り操舵時、操舵反力トルクTsがあらかじめ設定されたしきい値Tthよりも小さいとき、指令転舵角度θtaを一定に保持するため、操舵角度θsが変化しても指令転舵角度θtaが実転舵角度θtと一致している場合には、転舵用アクチュエータ６は動作しないため、据え切り操舵時における転舵用モータ６ａの余分な熱負荷を低減できる。
また、指令転舵角度θtaに応じた転舵制御が追従性のシステムでも、操舵角度θsに応じた指令転舵角度θtaと実転舵角度θtとの間に偏差を発生させることができる。よって、その偏差に応じた操舵反力トルクTsが発生し、運転者の据え切り感を向上させることができる。

(2) 指令転舵角算出手段は、据え切り操舵時、操舵反力トルクTsがしきい値Tth以上であるとき、指令転舵角度θtaにディレイ処理を施すため、転舵制御を遅らせることで操舵側と転舵側とでの捩れ分を擬似的に再現でき、運転者の据え切り感をより向上させることができる。

(3) 指令転舵角算出手段は、指令転舵角度θtaに対し、ディレイ処理としてローパスフィルター処理を施すため、ローパスフィルターの時定数を変化させることで、様々な車両特性に応じて操舵側に対する転舵側の応答特性を容易にチューニングできる。

(4) 操舵反力装置用コントローラ１０および転舵装置用コントローラ１６の両モータ制御指令値算出手段は、操舵反力用モータ２ａの指令操舵反力電流Isaおよび転舵用モータ６ａの指令転舵電流Itaに対し、リミット値Ismおよびリミット値Itmでリミッター処理を施すため、各モータ２ａ，６ａに過剰電流が流れるのを防止でき、各モータ２ａ，６ａの過熱保護が可能となる。

(5) 操舵反力用モータ２ａおよび転舵用モータ６ａを、クラッチ付きモータとしたため、モータ暴走時にクラッチを切ることで過剰な操舵反力トルクTsの発生を防止できる。

（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。

例えば、図３のフローチャートにおいて、ステップ3-8で転舵用アクチュエータ６を作動させるとき、転舵用モータ６ａの温度を温度センサで検出し、温度条件を加えて制御してもよい。

実施例１の車両用操舵装置が適用されたステアバイワイヤシステムを示す全体図である。 実施例１の車両用操舵装置の操舵反力制御系および転舵角度制御系の全体構成を示す図である。 操舵反力装置用コントローラ１０の指令転舵角算出手段において実行される指令転舵角度算出制御処理の流れを示すフローチャートである。 ステアリングホイール１を一定速で操舵したときの指令転舵角度θtaの変化を示す図である。 操舵反力装置用コントローラ１０のモータ制御指令値算出手段で実行される指令操舵反力電流のリミッター処理の流れを示すフローチャートである。 転舵装置用コントローラ１６のモータ制御指令値算出手段で実行される指令転舵電流のリミッター処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１ ステアリングホイール
２ 操舵反力用アクチュエータ
２ａ 操舵反力用モータ
３ 操舵反力装置
４，５ 転舵輪
６ 転舵用アクチュエータ
６ａ 転舵用モータ
７ 転舵装置
８ ステアリングコラムシャフト
９ 操舵反力用モータ角度センサ
１０ 操舵反力装置用コントローラ
１１ 車速センサ
１２ ステアリングギア機構
１３，１４ 動作変換機構
１５ 転舵用モータ角度センサ
１６ 転舵装置用コントローラ

Claims (6)

1. 操舵手段に操舵反力トルクを発生させる操舵反力用アクチュエータと、
   左右の操舵輪を転舵させる転舵用アクチュエータと、
   前記操舵手段の操舵角度に応じて指令転舵角度を算出する指令転舵角算出手段と、
   算出された指令転舵角度と実転舵角度との偏差に基づいて制御指令値を算出し、該制御指令値を前記操舵反力用アクチュエータに対して出力する操舵反力制御手段と、
   前記転舵用アクチュエータに対し、算出された指令転舵角度を得る制御指令値を出力する転舵制御手段と、
   を備えた車両用操舵装置において、
   据え切り操舵を判断する据え切り操舵判断手段を設け、
   前記指令転舵角算出手段は、据え切り操舵時、操舵反力トルクがあらかじめ設定されたしきい値よりも小さいとき、指令転舵角度を制限することを特徴とする車両用操舵装置。
2. 操舵手段に操舵反力トルクを発生させる操舵反力用アクチュエータと、
   左右の転舵輪を転舵させる転舵用アクチュエータと、
   前記操舵手段の操舵角度に応じて指令転舵角度を算出する指令転舵角算出手段と、
   算出された指令転舵角度と実転舵角度との偏差に基づいて制御指令値を算出し、該制御指令値を前記操舵反力用アクチュエータに対して出力する操舵反力制御手段と、
   前記転舵用アクチュエータに対し、算出された指令転舵角度を得る制御指令値を出力する転舵制御手段と、
   を備えた車両用操舵装置において、
   据え切り操舵を判断する据え切り操舵判断手段を設け、
   前記指令転舵角算出手段は、据え切り操舵時、操舵反力トルクがあらかじめ設定されたしきい値よりも小さいとき、指令転舵角度を一定に保持することを特徴とする車両用操舵装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の車両用操舵装置において、
   前記指令転舵角算出手段は、据え切り操舵時、操舵反力トルクがしきい値以上であるとき、指令転舵角度にディレイ処理を施すことを特徴とする車両用操舵装置。
4. 請求項３に記載の車両用操舵装置において、
   前記ディレイ処理は、ローパスフィルター処理であることを特徴とする車両用操舵装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか1項に記載の車両用操舵装置において、
   前記転舵制御手段および操舵反力制御手段は、制御指令値にリミッター処理を施すことを特徴とする車両用操舵装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の車両用操舵装置において、
   前記操舵反力用アクチュエータおよび転舵用アクチュエータは、クラッチ付きモータであることを特徴とする車両用操舵装置。

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