JP4681328B2 - ステアバイワイヤシステム - Google Patents

Description

本発明は、自動車のステアリング装置に関し、特に、操舵ハンドルの操作量を電気信号で車輪転回機構へ伝達するステアリングシステム（以下ステアバイワイヤシステムとよぶ）に関する。

ステアバイワイヤシステムの基本原理は、例えば非特許文献１にタイプ３として記載されている。この種のステアリングシステムは操舵ハンドルと車輪転回機構（以下転回部という）が機械的な機構で結合されておらず、操舵ハンドルの操作量を電気信号に変換し、その電気信号を電線(ワイヤ)によって転回部へ伝達し、転回部はその電気信号で表されるハンドル操作量に応じて車輪を転回する。 ステアバイワイヤシステムでは、コラムとラック、ピニオンなどでなり、ハンドルの操作量を転回部へ機械的に伝達する機械式操舵装置にくらべて、車体重量の軽減や居住空間の拡大が可能であり、更にリアルタイムの車両情報を活用して、高度な制御と適切な操舵感覚付与が可能な付加価値機能を実現することができる。図４は、非特許文献２に記載されたステアバイワイヤシステムの構成を説明する図である。図４のステアバイワイヤシステムは、車輪転回サーボシステムとフォースフィードバック機構を備える。車輪転回サーボシステムでは、ハンドル１２（またはサイドスティック等の新操作系）の角度を操舵角検出器１１（ｓ）で検出し、操舵角検出器１１（ｓ）の出力が転回角目標値信号１５（ref）となり、転回角検出信号３５をフィードバック信号actとして転回用電気モータ３１（Ｍ）の追従制御が行われる。フォースフィードバック機構は、操舵のための負荷力として操舵反力トルク指令信号５４（t_fb.ref）を運転者に伝える。車両走行中の故障発生の際は、少なくとも操舵角検出系と車輪転回サーボシステムが健全であれば（以上をステアリング基幹機能と呼ぶ）、仮にフォースフィードバック機構が機能不全となっても、運転者が緊急の退避処置を執ることは可能であるが、図４のシステムでは車輪転回サーボ系とフォースフィードバック系との分離独立性は明示されていない。

非特許文献１におけるタイプ３のステアバイワイヤによって実現が可能となる高付加価値のステアリング機能としては、可変ギヤ比制御、操縦性向上制御、外乱安定性向上、操舵反力制御、自動操縦、新操作系などがある。さらに副次的効果として、衝突安全性向上、スペースユーティリティー向上、メータ表示エリア拡大などが非特許文献１には記載されている。例えば、可変ギヤ比制御では、低速でギヤ比を小さく高速ではギヤ比を大きくして、ヨーレイトゲイン又は横加速度ゲインの車速による変化が小さくなるように制御する。ただし、万一システムが失陥すれば、上記のステアリング付加価値機能は消滅し、前記のステアリング基幹機能が別途維持されていない場合においては車両の安全性自体が致命的影響をうける。 従って、安全上基本的な機能に限定する縮退運転機能やバックアップ機能等の信頼性確保手段がステアバイワイヤシステムの最大の課題である。

特許文献１には、演算装置（ＣＰＵ）を冗長化した二重系のステアバイワイヤシステムが開示されている。図５は、特許文献２に記載の操舵制御装置及びその作動を説明をするための図である。図５の操舵制御装置では、２つの別個の冗長なシステムＡ、Ｂが、それぞれ別個の制御用コンピュータ（ＣＰＵ）６ａ，６ｂを有しており、制御用コンピュータ６ａ，６ｂは、それぞれに付設されている駆動ユニット１２ａ，１２ｂを介して、同一の転回軸１７（特許文献１では操舵軸１７）に作用する２つの別個の冗長なサーボモータ１４ａ，１４ｂに操作信号を供給している。転回軸１７の状態を決める駆動ユニット１２ａ，１２ｂまたはサーボモータ１４ａ，１４ｂは、冗長化されたデジタル系の指令に１００％従属しているので、図５の操舵制御装置はデジタル系とアナログ系が縦続に接続されたシステムである。

図６は、特許文献３に記載の機械式フェイルセーフ機能を説明する図である。特許文献３では、ステアバイワイヤ装置に加えて、従来の機械式操舵装置と同様のコラムとラック＆ピニオン機構が設けられてあり、かつ前記コラムとラック＆ピニオン機構との間には離脱機構があって、常時は離脱状態でステアバイワイヤ機能が優先機能しているが、故障を検出した時には該離脱機構を接続すると共にステアバイワイヤ機能が停止し、従来の機械式人力ステアリングに切り替わる方式が記載されている。図６のシステムでは、電気制御される操舵用アクチュエータ１９によって転舵機構１８を作動させるようにした車両用操舵装置において、ステアバイワイヤ機能故障時には、人力で操作可能な手動操作手段（ハンドル１２、連結シャフト２３、ナット２６）が、前記転舵機構１８に対して機械的に連結されることによって、フェイルセーフ機能が実現される。

図６のシステムでは、信頼性が確保される効果はあるものの、車体重量の軽減や居住空間の拡大というステアバイワイヤシステム本来の利点が失われる。図６のシステムのおけるこれらの欠点を補う方式として、機械的フェイルセーフ機能を設けず、電気回路の冗長度を高めて信頼性確保を図る装置が特許文献４に記載されている。図７は、特許文献４の三重の冗長性を有する車両用電動ステアリング装置を説明する概念図である。図７の装置は、車輪角度を変えるために並列して作用する３台の転回用電気モータと、並列して動作する３つの制御装置６１、６２、６３などを有し、各電気的制御チャネルの状態を比較して相違がある場合は多数決にて誤動作警報を発すると同時に、故障チャネルを不動作とする縮退モードで運転を維持する。この図７の装置では、全ての機能が三重の冗長性を有するデジタル回路で管制され、かつ信号も３重の冗長性をもって伝達されている。

以上、ステアバイワイヤシステムの基本原理を、おもに信頼性確保の面から種々説明したが、いずれも冗長度による信頼性確保という基本的な考え方は変わらない。
本山廉夫他「ステアバイワイヤの開発動向」自動車技術会No.62-02学術講演会資料 Krautstrunk他「Fault tolerant forcefeedback actuator for steer-by-wire,MECHATRONICS2000 特許第２７８６７１８号公報 特開２０００-０５３０１２ 特開２００２-２４９０５７ 特開２００３-２００８４０

前記ステアリングバイワイヤの利点である、車体重量の軽減や居住空間の拡大、および高度な制御と適切な操舵感覚実現の可能性等を損なわずに、最も安全で信頼性の高い操舵システムが求められている。

特許文献３では、ステアバイワイヤシステムに対して、人力操作可能な転舵機構操作手段を、機械的に連結・離脱可能とすることを特徴とする車両用操舵装置が提案されている。このシステムでは安全性は確保されるが、ラックに繋がるコラム等が必要となるため、車体重量の軽減や居住空間の拡大というステアバイワイヤ本来の利点が放棄されている。

特許文献４では、車両情報によって複雑な制御や操舵フィーリングを加える機能の記述がない。また、特許文献４のシステムは、アナログ要素全てがデジタルシステム管制下にあるハイブリッド系である。デジタル系システムは、耐ノイズ性に優れているが、ノイズレベルがある限界値を超えると前触れなく突如として全ての機能を停止するという性質を有する。そこで、操舵ハンドルの操作量を転回車輪の駆動機構へ伝達する情報経路がデジタル系とアナログ系とを縦続に接続してなるシステムでは、デジタル系における電源電圧降下、限界値を超える大きいノイズの発生などにより、冗長化されていても、CPUリセットなど機能停止が同時に発生し得る。車両におけるほぼ同一の環境に各系が配置される冗長化デジタルシステムは、同時にほぼ同レベルのノイズに曝される可能性が大きい。そこで、劣化に伴う前触れ現象が無いまま突如として機能を停止するというデジタル系の脆弱性は、冗長化によっても克服が困難である。したがって、特許文献４のシステムは、自動車走行中に全面的操舵不能に陥るという、あってはならない事態の発生の可能性を実質上無視し得る程度にまでに低減できるとは言えない。

特許文献２でも、駆動ユニット１２ａ，１２ｂまたはサーボモータ１４ａ，１４ｂは、冗長化されたデジタル系の指令に１００％従属しており、特許文献４と同様にデジタル系とアナログ系が縦続に接続されたシステムである。冗長系(２重系)が実現されてはいるが、前項同様デジタルシステム特有の現象から、自動車走行中突然に全面的な操舵不能という虞れが残る。特許文献１のシステムは特許文献２と同様なシステムであり、同様な解決するべき課題がある。

そこで、本発明の目的は、車体重量の軽減や居住空間の拡大、高度制御等付加価値機能の実現というステアバイワイヤ本来の利点が放棄されることなく、劣化に伴う前触れ現象が存在し、突如として操舵不能に陥るという故障が起こり難いステアバイワイヤシステムを提供することである。

前述の課題を解決するために本発明は次の手段を提供する。

（１）転回車輪の転回角を車輪転回角サーボ機構で制御する車両操舵装置であって、
ハンドルの舵角を表す舵角信号を、前記転回角の目標値を表す信号として生成する舵角信号生成手段と、
車両の速度、ヨー、変速レバーの位置等の車両状態情報に基づき操縦安定性、操縦容易性等の車両操縦特性の制御をする車両操縦特性制御信号を生成する車両操縦特性制御信号生成手段と、
前記転回角を表す転回角信号を生成する転回角信号生成手段と
とを有し、
前記車輪転回角サーボ機構は前記舵角信号および前記車両操縦特性制御信号に基づき前記転回角を制御するステアバイワイヤシステムにおいて、
前記車両操縦特性制御信号生成手段は、前記転回角の目標値に対する補正量を表す付加価値機能目標値重畳信号と、操縦性能パラメータを表す付加価値機能パラメータ設定信号とを生成し、
前記舵角信号生成手段および前記車輪転回角サーボ機構をステアリング基幹機能部とし、操舵のための負荷力を前記ハンドルに与えるフォースフィードバック機構および前記車両操縦特性制御信号生成手段をステアリング付加価値機能部とするとき、
前記ステアリング基幹機能部をアナログ系の要素で構成し、前記ステアリング付加価値機能部をデジタル系の要素で構成したハイブリッドシステムでなり、
前記舵角信号生成手段は、前記ステアリング付加価値機能部の作動から独立して前記舵角信号を生成し、
前記車輪転回角サーボ機構は、前記舵角信号から前記転回角を表す転回角信号を減算し前記付加価値機能目標値重畳信号を加算した信号と、前記付加価値機能パラメータ設定信号とを演算処理した信号に基づき前記転回角を制御する
ことを特徴とするステアバイワイヤシステム。

（２）前記ステアリング基幹機能部が多重に冗長されていることを特徴とする前記（１）に記載のステアバイワイヤシステム。

上記本発明によれば、デジタル系の万一のシステム失陥時でも、アナログ系のステアリング基幹機能は維持されているので、ステアリング付加価値機能の脱落したままでの縮退運転が可能である。また、該ステアリング基幹機能部は簡潔な回路であるので、部品点数減少の効果によりサブシステム全体の信頼性が高い。加えて、ステアリング基幹機能の多重冗長化も部品点数減少により一層容易である。また、アナログ系独特の作用として、突然の機能停止以前に劣化前触れ現象が発生するので、運転者が時間的余裕をもって対応処置を採ることができ、自動車走行の安全性が向上する。さらに、本発明によれば、リアルタイムの車両情報を利用した高度なステアリング付加価値機能がCPUを有するデジタル制御系を用いて実現される際、ステアリング付加価値機能部で必要とされるシステム冗長度は、すでにステアリング基幹機能によって最終安全性が確保されている分だけ緩和される。従ってステアリング付加価値機能のより一層の進歩向上に向けて開発行為が促進されることになる。また、車体重量の軽減や居住空間の拡大、衝突安全性向上というステアバイワイヤシステム特有の効果が担保される。

次に本発明の実施の形態を挙げ、図面を参照し、本発明を一層具体的に説明する。図１は、本発明の第1の実施の形態のステアバイワイヤを示す機能ブロック図であり、各符号は次の内容を表す。１はデータバス、１１は操舵角検出器、１２はハンドル、１３は操舵反力モータ、１４は操舵反力モータドライバ、１５は転回角目標値信号、１６は反力モータ駆動電力、２１は車輪転回機構、２２は転回車輪、３１は転回用電気モータ、３２は転回モータ用パワー増幅器、３３は転回レギュレータ、３５は転回角検出信号、３６は転回角検出器、３７は転回レギュレータ出力信号、３８は転回モータ駆動電力、５１は転回ＥＣＵ、５２は操舵ＥＣＵ、５３は付加価値機能目標値重畳信号、５４は操舵反力トルク指令信号、５５は付加価値機能パラメータ設定信号、３３１は演算増幅器である。

ハンドル１２の回転軸には、操舵角検出器１１と操舵反力モータ１３が取り付けられている。操舵角検出器１１の出力は転回角目標値信号１５となり、電気信号の形で車輪転回角サーボ機構の管制機能を担う転回レギュレータ３３へと送られる。この車輪転回角サーボ機構は、転回用電気モータ３１と、転回角検出器３６と、転回レギュレータ３３と、転回モータ用パワー増幅器３２とでなるシステムである。転回車輪２２の車輪転回機構２１の駆動軸には、転回用電気モータ３１と転回角検出器３６が取り付けられている。転回角検出器３６が発する転回角検出信号３５は、フィードバック信号として転回レギュレータ３３に送られる。転回レギュレータ３３では、まず転回角検出信号３５と転回角目標値信号１５とを内部の比較器Ｃで比較して誤差信号ｅを得る。次に、転回レギュレータ３３は、演算増幅器（オペアンプ）３３１を備え、演算増幅器３３１により、誤差信号ｅに適度なゲイン調整、アンチハント調整などの制御演算Ｇ（ｓ）を施し、転回用電気モータ３１へのトルク指令として、転回レギュレータ出力信号３７を発生する。転回モータ用パワー増幅器３２では、転回レギュレータ出力信号３７に対応するトルクで、転回用電気モータ３１を駆動するための転回モータ駆動電力３８を発生する。

以上の操舵角検出系と車輪転回角サーボ機構とを総称して、この実施の形態におけるステアリング基幹機能部と称する。ステアリング基幹機能部は、すべてアナログ系で構成されている。従来、転回レギュレータ３３はデジタル回路で構成されていたが、本発明ではアナログ回路で構成される。他方、基幹機能部の外にあるステアリング関係諸装置を一括してステアリング付加価値機能部と称する。付加価値機能部は主としてデジタル回路で構成される。そのデジタル回路の中心は、データバス１と複数のＥＣＵである。転回レギュレータ３３は、ステアリング付加価値機能部からの信号を受けるが、操舵角検出系と共に自律しており、仮にステアリング付加価値機能部が故障した場合でも、基幹機能の発揮に影響を受けない。

さらに、図１では、操舵反力モータドライバ１４が反力モータ駆動電力１６を供給し、操舵反力モータ１３を駆動する事が示されている。ここでは、操舵反力モータ１３はトルクアクチュエータとして用いられている。他方、操舵ＥＣＵ（電子制御ユニット）５２は、ステアリング付加価値機能部の１つの要素である。操舵反力モータドライバ１４への操舵反力トルク指令信号５４は、その操舵ＥＣＵ５２の出力として操舵反力モータドライバ１４へ出力されている。操舵ＥＣＵ５２では、データバス１からリアルタイムの車両情報の供給を受けているが、この情報を元に運転者に伝えるべき操舵反力を演算し、操舵反力トルク指令信号５４を生成する。前記車両情報の内、基本となるのは車輪転回角サーボ機構の負荷トルク情報であり、これに高度な付加価値情報、例えば操縦性向上情報等が加味される。転回ＥＣＵ５１は、転回レギュレータ出力信号３７を読み取り、これが車輪転回角サーボ機構のトルクに相当するので、該トルクの情報をデータバス１経由で操舵ＥＣＵ５２に転送する。以上が操舵のための負荷力を運転者に伝える操舵反力制御の説明であり、操舵反力モータ１３の発生トルクが運転者に体感されるフォースフィードバックとなっている。

さらに図１では、ステアリング付加価値機能部からの高付加価値信号をステアリング基幹機能部へ重畳する方法が示されている。可変ギヤ比制御、操縦性向上制御、外乱安定性制御、自動操縦などの制御出力は、転回ＥＣＵ５１の中で総て綜合され、転回レギュレータ３３への目標値を補正する付加価値機能目標値重畳信号５３として、専用信号路を介し送られる。また、転回ＥＣＵ５１は、付加価値機能目標値重畳信号５３による目標値補正量に対応した付加価値機能パラメータ設定信号５５を生成する。付加価値機能パラメータ設定信号５５は、操縦安定性などの操舵性能が最適に発揮されるように、演算増幅器３３１の演算パラメータを設定する。例えば運転者が高速時に急ハンドルをとり、車両横転の危険を察知した付加価値機能部は、操舵角検出系を抑制する方向の付加価値機能目標値重畳信号５３および付加価値機能パラメータ設定信号５５を発生する。この方法によれば、仮にデジタルシステムが失陥した場合でも、ステアリング基幹機能部とステアリング付加価値機能部とは分離独立しているので、基幹機能部は問題なく動作を継続することができる。

図２は、図１と同じ実施の形態におけるステアリング付加価値機能の生成形態を説明するための機能ブロック図である。図２には、主幹ＥＣＵ５６が明示してある。デジタル系は、転回ＥＣＵ５１、操舵ＥＣＵ５２及びこれらとは別個で、強力な機能の主幹ＥＣＵ５６、車内各種のＥＣＵ例えばエンジンＥＣＵ、補機ＥＣＵ等でなる。可変ギヤ比制御、操縦性向上制御、外乱安定性制御、自動操縦などのステアリング付加価値機能は、主幹ＥＣＵ５６が全車リアルタイム情報、例えば車速、ヨー（Yaw）、シフト位置等を基に演算処理することでなされる。主幹ＥＣＵ５６の制御出力情報は高速データ交換のデータバス１を介して、転回ＥＣＵ５１に伝達される。転回ＥＣＵ５１から基幹機能系への信号重畳については前述の通りである。また、図２では、車内各種のＥＣＵ、例えばエンジンＥＣＵなどは、本発明の実施に直接的な関係をもたないので、記載が省略されている。

図３は本発明の第２の実施の形態のステアバイワイヤを示す機能ブロック図である。図３の実施の形態では、図１のステアリング基幹機能部が３重に冗長されている一方、前記ステアリング付加価値機能部は冗長を省いた形のデジタルとアナログのハイブリッドシステムでなる。３重冗長の基幹機能部は、ハンドル１２の操舵角検出器１１ａ，１１ｂ，１１ｃと、転回用電気モータ３１ａ，３１ｂ，３１ｃと、転回角検出器３６ａ，３６ｂ，３６ｃと、転回レギュレータ３３ａ，３３ｂ，３３ｃと、パワー増幅器３２a，３２ｂ，３２ｃとでなり、全てアナログ系で構成されている。

なお、以上には本発明の実施の形態を、図面を参照して具体的に説明したが、本発明がこれらの実施の形態に限定されるものでないことは勿論である。

本発明の第1の実施の形態のステアバイワイヤシステムを示し、ステアリング基幹機能部がステアリング付加価値機能部とは別個に、すべてアナログ系で構成されていることを説明する機能ブロック図である。 本発明の第1の実施の形態のステアバイワイヤシステムを示し、デジタル系ステアリング付加価値機能の生成形態及び該ステアリング付加価値機能部の出力がアナログ系ステアリング基幹機能部に重畳されるハイブリッド式システムを説明する機能ブロック図である。 本発明の第２の実施の形態の、ステアリング基幹機能が多重に冗長されているステアバイワイヤシステムを説明する機能ブロック図である。 非特許文献２に記載されたステアバイワイヤシステムの原理を説明する機能ブロック図である。 特許文献２に記載された２重冗長系ステアバイワイヤシステムの概念図である。 特許文献３記載の機械的フェイルセーフ機能を説明する概念図である。 特許文献４記載の三重の冗長性を有する車両用電動ステアリング装置を説明する概念図である。

符号の説明

１ データバス
１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 操舵角検出器
１２ ハンドル
１３ 操舵反力モータ
１４ 操舵反力モータドライバ
１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ 転回角目標値信号
１６ 反力モータ駆動電力
２１ 車輪転回機構
２２ 転回車輪
３１，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ 転回用電気モータ
３２，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ 転回モータ用パワー増幅器
３３，３３ａ，３３ｂ，３３ｃ 転回レギュレータ
３５，３５ａ，３５ｂ，３５ｃ 転回角検出信号
３６，３６ａ，３６ｂ，３６ｃ 転回角検出器
３７，３７ａ，３７ｂ，３７ｃ 転回レギュレータ出力信号
３８，３８ａ，３８ｂ，３８ｃ 転回モータ駆動電力
５１ 転回ＥＣＵ
５２ 操舵ＥＣＵ
５３，５３ａ，５３ｂ，５３ｃ 付加価値機能目標値重畳信号
５４ 操舵反力トルク指令信号
５６ 主幹ＥＣＵ
５５ 付加価値機能パラメータ設定信号
３３１ 演算増幅器

Claims (2)

1. 転回車輪の転回角を車輪転回角サーボ機構で制御する車両操舵装置であって、
   ハンドルの舵角を表す舵角信号を、前記転回角の目標値を表す信号として生成する舵角信号生成手段と、
   車両の速度、ヨー、変速レバーの位置等の車両状態情報に基づき操縦安定性、操縦容易性等の車両操縦特性の制御をする車両操縦特性制御信号を生成する車両操縦特性制御信号生成手段と、
   前記転回角を表す転回角信号を生成する転回角信号生成手段と
   とを有し、
   前記車輪転回角サーボ機構は前記舵角信号および前記車両操縦特性制御信号に基づき前記転回角を制御するステアバイワイヤシステムにおいて、
   前記車両操縦特性制御信号生成手段は、前記転回角の目標値に対する補正量を表す付加価値機能目標値重畳信号と、操縦性能パラメータを表す付加価値機能パラメータ設定信号とを生成し、
   前記舵角信号生成手段および前記車輪転回角サーボ機構をステアリング基幹機能部とし、操舵のための負荷力を前記ハンドルに与えるフォースフィードバック機構および前記車両操縦特性制御信号生成手段をステアリング付加価値機能部とするとき、
   前記ステアリング基幹機能部をアナログ系の要素で構成し、前記ステアリング付加価値機能部をデジタル系の要素で構成したハイブリッドシステムでなり、
   前記舵角信号生成手段は、前記ステアリング付加価値機能部の作動から独立して前記舵角信号を生成し、
   前記車輪転回角サーボ機構は、前記舵角信号から前記転回角を表す転回角信号を減算し前記付加価値機能目標値重畳信号を加算した信号と、前記付加価値機能パラメータ設定信号とを演算処理した信号に基づき前記転回角を制御する
   ことを特徴とするステアバイワイヤシステム。
2. 前記ステアリング基幹機能部が多重に冗長されていることを特徴とする請求項１に記載のステアバイワイヤシステム。