JP4483410B2 - ステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、ステアリング操舵角に対する操向輪転舵角の比である舵角比を変更可能なステアリング装置の技術分野に属する。

従来のステアリング装置では、電動モータの温度上昇に応じて、操舵ゲインを舵角比制御無しの値に近づけることにより、モータの過熱保護を図っている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１８２６２２号公報

しかしながら、上記従来技術にあっては、操舵ゲインが制御無しのベース値に近い中車速域においては、電動モータが過熱保護しきい値を超えても操舵ゲインの変化量が僅かであるため、過熱保護の効果が少ない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、走行状態にかかわらずモータ過熱保護を図ることができるステアリング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の比である舵角比を可変する電動モータと、
走行状態に応じたゲインを操舵角に乗算した値と、走行状態に応じた乗数を操舵角速度に乗算した値とに基づいて前記操向輪転舵角を算出し、算出した操向輪転舵角が得られるように目標舵角比を設定する舵角比特性設定手段と、
前記目標舵角比となるように前記電動モータを制御する舵角比制御手段と、
を備えたステアリング装置において、
前記電動モータの温度を検出するモータ温度検出手段を備え、
前記舵角比特性設定手段は、前記電動モータの温度が第１の温度しきい値を超えたときには、その温度が高いほど、前記走行状態に応じた乗数を、低下させることを特徴とする。

本発明にあっては、モータが過熱したとき、走行状態に応じた乗数を低下させるため、車速等の走行状態にかかわらず、電動モータの負荷が軽減され、電動モータの過熱保護を図ることができる。

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。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、実施例１のステアリング装置の全体ブロック図である。

ステアリングホイール１は、ステアリングシャフト２を介して舵角比可変機構３の入力側に連結されている。舵角比可変機構３の出力側は、ピニオンシャフト４、ステアリングギア５、タイロッド６、ナックルアーム７、を経て前輪（操向輪）８に連結されている。

舵角比可変機構３は、舵角比を変更する電動モータ９を備えており、図示しないロータリエンコーダにより電動モータ９の回転角および回転方向が検出されている。さらに、電動モータ９には、電動モータの温度Ｔ_mを検出するモータ温度センサ１０が設けられている。そして、ステアリングシャフト２には、ドライバにより操作されるステアリングホイール１の操舵角θ_sを検出する操舵角センサ１１が設けられている。また、図示しない４輪のうち少なくとも１つの車輪の車輪速から、車速を検出する車速センサ１２が装着されている。

舵角比可変機構３は、例えば、特開平１１−９９９５６号公報に開示されているように、軸心がある一定の範囲（Ａ₀〜Ａ₂）で移動可能な入力軸があり、この入力軸と出力軸との間の偏心量を変更することにより、両者の回転角の間に、ある差を生じさせることができる。すなわち、電動モータ９の回転駆動力を利用して入力軸の軸心位置を適宜移動させることにより、操舵角θ_sに対する転舵角δ_mの比である舵角比（Ｒ₀〜Ｒ₂）の変更が可能となっている。

この舵角比可変機構３における電動モータ９は、制御装置１３によって駆動制御されている。この制御装置１３は、例えば、マイクロコンピュータで構成され、モータ温度センサ１０で検出した温度Ｔ_mと、操舵角センサ１１で検出した操舵角θ_sと、車速センサ１２で検出した車速Ｖとが入力される。

制御装置１３は、車速Ｖに応じて操舵応答性乗数τと操舵ゲインＲとを算出し、算出した操舵応答性乗数τと操舵ゲインＲとに基づいて、目標舵角比（転舵角δ_m／操舵角θ_s）を設定する。そして、電動モータ９に対し、目標舵角比を得る駆動指令を出力する。

操舵応答性乗数τは、車速Ｖが低くなるほど舵角比制御無しでの車両操舵応答性の応答性乗数τ_cよりも高い値に設定される。操舵ゲインＲは、低速域では舵角比制御無しでの車両操舵ゲインであるベース値Ｒ_cよりも高く、中速域ではベース値Ｒ_cに近く、高速域ではベース値Ｒ_cよりも低くなるような値に設定される。

すなわち、低速域では、操舵応答性乗数τと操舵ゲインＲが共に高い値に設定されるため、舵角比が大きくなり、高速域では、操舵応答性乗数τと操舵ゲインＲが共に低い値に設定されるため、舵角比が小さくなる。これにより、据え切り領域での高旋回性と高速域での車両の走行安定性向上との両立を図っている。

また、制御装置１３では、電動モータ９の温度Ｔ_mに応じて、後述する図２の電動モータ温度過熱保護制御を実行する。そして、電動モータ９の温度Ｔ_mがあらかじめ設定されたモータ作動上限温度T2を超えた場合には、警報回路１４に対し警報信号を出力し、ドライバへ注意を喚起する。

次に、作用を説明する。
［電動モータ温度過熱保護制御処理］
図２は、制御装置１３で実行される電動モータ温度過熱保護制御処理の流れを示すフローチャートで、以下、各ステップについて説明する。

ステップS1では、車速センサ１２から車速Ｖを入力し、ステップS2へ移行する。

ステップS2では、操舵角センサ１１から操舵角θ_sを入力し、ステップS3へ移行する。

ステップS3では、モータ温度センサ１０から電動モータ９の温度Ｔ_mを入力し、ステップS4へ移行する。

ステップS4では、ステップS3で入力した電動モータ９の温度Ｔ_mが第１の温度しきい値T1を超えているかどうかを判定する。YESの場合にはステップS7へ移行し、NOの場合にはステップS5へ移行する。

このときの第１の温度しきい値T1は、電動モータ９の寿命に影響を与えないような温度に設定することが望ましい。また、低速域では、連続した据え切り操舵などのモータ過熱が発生する可能性が高いため、第１の温度しきい値T1は、ステップS1で入力した車速Ｖが低いほど、低い温度しきい値に設定する。

ステップS5では、ステップS1で入力した車速Ｖに応じて、通常制御用の操舵応答性乗数τと操舵ゲインＲとを算出し（舵角比特性設定手段）、ステップS6へ移行する。

ステップS6では、ステップS5で算出した通常制御用の操舵応答性乗数τと操舵ゲインＲ、またはステップS8で算出した過熱保護用の操舵応答性乗数τ'と操舵ゲインＲ'を用い、下記の式(1)に応じて、走行車輪の転舵角δ_mを算出し、電動モータ９に対し、転舵角δ_mを得る駆動信号を出力し、リターンへ移行する。
δ_m＝（Ｒ−１）・θ_s＋τ・ｓ・θ_s …(1)
ここで、Ｒは操舵ゲイン、θ_Sは操舵角、τは操舵応答性乗数、ｓはラプラス演算子である。

ステップS7では、ステップS3で入力した電動モータ９の温度Ｔ_mがある第２の温度しきい値T1'（>T1）を超えているかどうかを判定する。YESの場合にはステップS9へ移行し、NOの場合にはステップS8へ移行する。

このときの第２の温度しきい値T1'は、操舵応答性の制限のみでは、温度上昇が抑えられなくなる温度よりも低く設定することが望ましい。また、低速域では、連続した据え切り操舵などのモータ過熱が発生する可能性が高いため、第２の温度しきい値T1'は、ステップS1で入力した車速Ｖが低いほど、低い温度しきい値に設定する。

ステップS8では、ステップS1で入力した車速Ｖと、ステップS3で入力した電動モータ９の温度Ｔ_mとに応じて、過熱保護用の操舵応答性乗数τ'を算出し（舵角比特性設定手段に相当）、ステップS6へ移行する。
ここで、過熱保護用の操舵応答性乗数τ'は、温度Ｔ_mが高くなるほど、通常制御用の操舵応答性乗数τよりも低い値に設定される。

ステップS9では、ステップS3で入力した電動モータ９の温度Ｔ_mがあるモータ作動上限温度T2（>T1'）を超えているかどうかを判定する。YESの場合にはステップS11へ移行し、NOの場合にはステップS10へ移行する。

このモータ作動上限温度T2は、即時に緊急停止を要するに至らない電動モータ作動上の上限温度となるような温度に設定することが望ましい。

ステップS10では、ステップS1で入力した車速Ｖと、ステップS3で入力した電動モータ９の温度Ｔ_mとに応じて、過熱保護用の操舵応答性乗数τ'と操舵ゲインＲ'とを算出し（舵角比特性設定手段に相当）、ステップS6へ移行する。

ここで、過熱保護用の操舵応答性乗数τ'は、温度Ｔ_mが高くなるほど、通常制御用の操舵応答性乗数τよりも低い値に設定される。また、過熱保護用の操舵ゲインＲ'は、温度Ｔ_mが高くなるほど、通常制御用の操舵ゲインＲよりも舵角比制御無しの値に近づくように設定される。

ステップS11では、電動モータ９の制御を停止させる（過熱時モータ停止手段）とともに、電動モータ９に生じた異常過熱をドライバに警告すべく、警報回路１４に対して警報信号を出力し、この警報回路で警報音を発するかまたは表示灯を点灯してからリターンへ移行する。

［電動モータ温度過熱保護制御作動］
電動モータ９の温度Ｔ_mが第１の温度しきい値T1以下である場合には、図２のフローチャートにおいて、ステップS1→ステップS2→ステップS3→ステップS4→ステップS5→ステップS6へと進む流れとなる。すなわち、ステップS5では、通常制御用の操舵応答性乗数τと操舵ゲインＲとを算出し、ステップS6では、通常制御用の操舵応答性乗数τと操舵ゲインＲを用いて走行車輪の転舵角δ_mを算出し、電動モータ９に対し、転舵角δ_mを得る駆動信号を出力する。

電動モータ９の温度Ｔ_mが第１の温度しきい値T1よりも大きく、第２の温度しきい値T1'以下である場合には、図２のフローチャートにおいて、ステップS1→ステップS2→ステップS3→ステップS4→ステップS7→ステップS8→ステップS6へと進む流れとなる。すなわち、ステップS8では、ステップS3で入力した電動モータ９の温度Ｔ_mに応じて過熱保護用の操舵応答性乗数τ'を算出し、ステップS6では、過熱保護用の操舵応答性乗数τ'と操舵ゲインＲを用いて走行車輪の転舵角δ_mを算出し、電動モータ９に対し、転舵角δ_mを得る駆動信号を出力する。

電動モータ９の温度Ｔ_mが第２の温度しきい値T1'よりも大きく、モータ作動上限温度T2以下である場合には、図２のフローチャートにおいて、ステップS1→ステップS2→ステップS3→ステップS4→ステップS7→ステップS9→ステップS10→ステップS6へと進む流れとなる。すなわち、ステップS10では、ステップS3で入力した電動モータ９の温度Ｔ_mに応じて過熱保護用の操舵応答性乗数τ'と過熱保護用の操舵ゲインＲ'とを算出し、ステップS6では、過熱保護用の操舵応答性乗数τ'と過熱保護用の操舵ゲインＲ'とを用いて走行車輪の転舵角δ_mを算出し、電動モータ９に対し、転舵角δ_mを得る駆動信号を出力する。

電動モータ９の温度Ｔ_mがモータ作動上限温度T2を超えた場合には、図２のフローチャートにおいて、ステップS1→ステップS2→ステップS3→ステップS4→ステップS7→ステップS9→ステップS11へと進む流れとなる。すなわち、ステップS11では、電動モータ９の制御を停止させるとともに、警報回路１４によりドライバに警告を発する。

［操舵応答性と操舵ゲインの変更による車両挙動変化］
図３は、切り返し操舵時におけるヨーレート変化特性を、操舵ゲインＲが小さい場合と大きい場合とで比較したものである。図３に示すように、操舵ゲインＲが大きい場合には、操舵ゲインＲが小さい場合よりも切り返し操舵時のヨーレート変化が大きくなる。すなわち、操舵ゲインＲを変化させると、これに伴い車両挙動が大きく変化するため、ドライバに与える違和感が大きい。

一方、図４は、切り返し操舵時におけるヨーレート変化特性を、操舵応答性乗数τが小さい場合と大きい場合とで比較したものである。図４に示すように、操舵応答性乗数τが小さい場合と大きい場合とでは、ヨーレート変化特性はほとんど一致している。すなわち、操舵応答性乗数τを変化させても、ほぼ同じ車両挙動が得られるため、ドライバに与える違和感は僅かである。

［操舵ゲイン変更によるモータ過熱保護の問題点］
図５に示すように、特開２００３−１８２６２２号公報に記載の舵角比制御装置では、電動モータの温度が第１の温度しきい値T1を超えて上昇しているとき、モータ作動上限温度T2に達するまで、操舵ゲインＲ（ギア比）を徐々に舵角比制御無しでの車両操舵ゲインであるベース値Ｒ_cに近づけることで、モータの過熱保護を図っている。

この従来技術では、以下に列挙する問題を有している。
(a) 操舵ゲインＲが舵角比制御無しでの車両操舵ゲインであるベース値Ｒ_cに近い中速域で電動モータが過熱するような使われ方をした場合、操舵ゲインＲの変化量が僅かであるため、電動モータの負荷が小さくならず、過熱保護の効果が少ない。
(b) 中速域で電動モータが過熱した状態からドライバが加減速を行ったとき、本来の舵角比変化が発生せず、ドライバに違和感を与える。
(c) 高速域では過熱に応じて操舵ゲインＲが大きくなるため、ドライバに与える違和感が大きい。

［操舵応答性と操舵ゲインの変更によるモータ過熱保護作用］
これに対し、実施例１のステアリング装置では、図６(a)に示すように、操舵ゲインＲを舵角比制御無しでの車両操舵ゲインであるベース値Ｒ_cに近づけるだけでなく、操舵応答性乗数τも徐々に低下させるため、中速域で電動モータ９が過熱するような使われ方をした場合でも、過熱保護の効果が得られる。

また、図６(b)に示すように、操舵ゲインＲが変更される第２の温度しきい値T1'よりも低い第１の温度しきい値T1から操舵応答性乗数τを低下させるため、ドライバに与える違和感が小さく抑えられ、ドライバに対し、より安全にシステムの限界が近いことを知らせることができる。

さらに、図６(c)に示すように、高速域よりも低速域のときの第１の温度しきい値T1を低く設定し、低車速ほどより低い温度で操舵ゲインＲ、操舵応答性乗数τを共に変更するため、電動モータ９が過熱した状態で急加速した場合でも、車速が高いほどより高い操舵応答性能が確保される。

次に、効果を説明する。
実施例１のステアリング装置にあっては、下記に列挙する効果が得られる。

(1) ステアリング操舵角に対する操向輪転舵角の比である舵角比を可変する電動モータ９と、走行状態に応じて舵角比特性を設定する舵角比特性設定手段と、を備えたステアリング装置において、舵角比特性設定手段は、電動モータ９の温度が第１の温度しきい値T1を超えたとき、操舵応答性乗数τを低下させ、舵角比制御無しの値τ_cに近づけるため、車速Ｖ等の走行状態にかかわらず、電動モータ９の過熱保護を図ることができる。

(2) 舵角比特性設定手段は、電動モータ９の温度が第１の温度しきい値T1よりも高い第２の温度しきい値T1'を超えたとき、操舵ゲインＲを舵角比制御無しの値Ｒ_cに近づけるため、操舵ゲインＲの上昇よりも前に操舵応答性乗数τを低下させることで、ドライバへ与える違和感を抑えつつ、電動モータ９の過熱保護を図ることができる。

(3) 舵角比特性設定手段は、車速Ｖが低くなるほど第１の温度しきい値T1と第２の温度しきい値T1'を低い温度に設定するため、電動モータ９が過熱した状態で急加速した場合、高速域では高い操舵応答性能が確保される。よって、緊急度の低い急減速時には電動モータ９の過熱保護を図りつつ、緊急度の高い高速走行中にはドライバの操舵に応じた操舵応答性能が得られる。

(4) 舵角比特性設定手段は、下記の式(1)
δ_m＝（Ｒ−１）・θ_s＋τ・ｓ・θ_s …(1)
（Ｒ：操舵ゲイン、θ_S：ステアリング操舵角、τ：操舵応答性乗数、ｓ：ラプラス演算子）
を満足する操向輪転舵角δ_mが得られるように目標舵角比を設定するため、操舵ゲインＲと操舵応答性乗数τの両方を車両挙動とモータ温度Ｔ_mに応じて変化させることで、車両状態に応じた最適な転舵角δ_mを設定できる。

(5) 電動モータ９の温度があらかじめ設定されたモータ作動上限温度T2を超えたとき、電動モータ９を停止させる過熱時モータ停止手段を設けたため、電動モータ９の異常過熱等によるモータの焼損を確実に防止できる。

（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、実施例１では、電動モータ９にモータ温度センサ１０を取り付けてモータ温度Ｔ_mを直接検出する構成を示したが、電動モータ９の端子間電圧および電流値に基づいて算出される端子間抵抗値より、モータ温度Ｔ_mを推定してもよい。

また、実施例１では、第１の温度しきい値T1と第２の温度しきい値T1'を車速Ｖが低いほど、低い温度に設定する例を示したが、どちらか一方を固定するようにしてもよい。

また、実施例１では、車速Ｖに応じて舵角比を可変に制御する例を示したが、ヨーレート、タイヤと路面との摩擦係数、車両の加減速度等、車速以外の走行状態を含む舵角比可変制御としてもよい。

実施例１のステアリング装置の全体ブロック図である。 制御装置１３で実行される電動モータ温度過熱保護制御処理の流れを示すフローチャートである。 操舵ゲインＲの違いによる切り返し操舵時のヨーレート変化特性を示す図である。 操舵応答性乗数τの違いによる切り返し操舵時のヨーレート変化特性を示す図である。 従来のモータ過熱保護制御作用を示す図である。 実施例１のモータ過熱保護制御作用を示す図である。

符号の説明

１ ステアリングホイール
２ ステアリングシャフト
３ 舵角比可変機構
４ ピニオンシャフト
５ ステアリングギア
６ タイロッド
７ ナックルアーム
８ 車輪
９ 電動モータ
１０ モータ温度センサ
１１ 操舵角センサ
１２ 車速センサ
１３ 制御装置
１４ 警報回路

Claims (5)

1. ステアリング操舵角に対する操向輪転舵角の比である舵角比を可変する電動モータと、
   走行状態に応じたゲインを操舵角に乗算した値と、走行状態に応じた乗数を操舵角速度に乗算した値とに基づいて前記操向輪転舵角を算出し、算出した操向輪転舵角が得られるように目標舵角比を設定する舵角比特性設定手段と、
   前記目標舵角比となるように前記電動モータを制御する舵角比制御手段と、
   を備えたステアリング装置において、
   前記電動モータの温度を検出するモータ温度検出手段を備え、
   前記舵角比特性設定手段は、前記電動モータの温度が第１の温度しきい値を超えたときには、その温度が高いほど、前記走行状態に応じた乗数を、低下させることを特徴とするステアリング装置。
2. 請求項１に記載のステアリング装置において、
   前記舵角比特性設定手段は、前記電動モータの温度が第１の温度しきい値よりも高い第２の温度しきい値を超えたときには、その温度が高いほど、前記操舵角に乗算するゲインを、前記舵角比制御していないときの操舵ゲインに近づけることを特徴とするステアリング装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のステアリング装置において、
   前記舵角比特性設定手段は、車速が低くなるほど第１の温度しきい値または／および第２の温度しきい値を低い温度に設定することを特徴とするステアリング装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のステアリング装置において、
   前記舵角比特性設定手段は、下記の式
   δ_m＝（Ｒ−１）・θ_s＋τ・ｓ・θ_s
   （Ｒ：操舵ゲイン、θ_s：ステアリング操舵角、τ：操舵応答性乗数、ｓ：ラプラス演算子）
   を満足する操向輪転舵角δ_mが得られるように前記操舵ゲインおよび操舵応答性乗数を設定することを特徴とするステアリング装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のステアリング装置において、
   前記電動モータの温度があらかじめ設定されたモータ作動上限温度を超えたとき、電動モータを停止させる過熱時モータ停止手段を設けたことを特徴とするステアリング装置。

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