JP5211977B2

JP5211977B2 - 車両用操舵装置

Info

Publication number: JP5211977B2
Application number: JP2008240130A
Authority: JP
Inventors: 達磨河内
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2028-09-19
Also published as: JP2010070068A

Description

本発明は、車両操舵のための操作部材と当該操作部材に対する操作に応じて向きを変える転舵輪とが機械的に切り離されているステアバイワイヤ方式の車両用操舵装置に関するものであり、更に詳しくは、そのような車両用操舵装置において当該操作部材に付与すべき操舵反力を発生させる反力モータの制御に関する。

ステアバイワイヤ方式の車両用操舵装置では、操舵のための操作部材としてのハンドル(ステアリングホイール）と転舵輪とが機械的に切り離されており、ハンドルに対する回転操作（ハンドル操作）に応じて転舵輪の向きを変えるための駆動源として転舵モータを備えている。また、このようなステアバイワイヤ方式の操舵装置では、転舵輪からハンドルに路面反力が伝達されないので、運転者に路面反力に応じた適切な操舵感を与えるべくハンドルに操舵反力を付与する反力モータが設けられている。この反力モータが発生すべき操舵反力の目標値の具体的な求め方については、これまで種々の提案がなされている。例えば、転舵モータの駆動電流が路面反力を反映することを利用して当該駆動電流に基づき当該操舵反力の目標値を決定したり、ハンドルに対する操作量を示す操舵角に応じて当該操舵反力の目標値が決定される。

なお、本願発明に関連して以下のような先行技術が知られている。すなわち特許文献１には、舵取り操作手段に操作方向と逆向きの反力を付与する反力付与手段と、車速検出手段および路面状態検出手段の検出結果に基づいて前記反力付与手段が発生する反力を増減する反力制御手段を備えた自動車の舵取り装置が開示されている。この舵取り装置では、例えば、路面反力に抗して舵取り機構に操舵力を与えるための操舵モータの駆動電流を媒介として、路面状態を間接的に認識し、この結果を、天候、温度等の周辺環境の検出結果や路面の凹凸の検出結果等により補正し、路面状態についての当該補正後の検出結果と車速の検出結果とに基づき、反力付与手段が発生すべき反力が決定される。また特許文献２には、車両の方向指示器の動作／非動作を検出する検出手段と、この検出手段によって方向指示器が動作中であることが検出されたとき、操舵補助力を増加補正すべく、操舵補助力を発生するモータを制御する電動パワーステアリング装置が開示されている。
特開平９−１４２３３０号公報特開平１１−３０１５０９号公報

上記のようなステアバイワイヤ方式の操舵装置は、車両の操作手段等に関する設計の自由度を高めるという側面を有している。このことから、操舵のための操作部材であるハンドルの近傍に種々の他の操作部材を取り付けることが可能となる。この場合、操舵のためのハンドル操作と同時に当該他の操作部材に対して操作を行うと、上記反力モータが発生する操舵反力に起因して、運転者が違和感を感じることがある。

例えば、ハンドルの裏側に他の操作部材としてレバースイッチのレバー（ウィンカーレバーのようなもの）が設けられている場合に、操舵のためのハンドル操作と同時に当該レバーを操作すると、運転者によりハンドルに与えるべきトルクの一部がそのレバー操作によって奪われる。その結果、運転者は操舵のためハンドル操作において違和感を感じる。

そこで本発明は、ハンドル等の操舵用の操作部材の近傍に設けられた他の操作部材の操作を操舵操作と同時に行っても運転者に違和感を与えないステアバイワイヤ方式の車両用操舵装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、車両操舵のために操作される操舵用操作部材と当該操作部材に対する操作に応じて向きを変える転舵輪とが機械的に切り離されているステアバイワイヤ方式の車両用操舵装置であって、
前記操舵用操作部材に対する操作に応じて前記転舵輪の向きを変えるための転舵モータと、
前記転舵輪の転舵に対する路面反力に応じて前記操舵用操作部材に操舵反力を付与するための反力モータと、
前記反力モータが発生すべき操舵反力を、前記操舵用操作部材の近傍に配置された他の操作部材に対する操作に応じて調整する反力制御手段とを備えることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
前記他の操作部材に対する操作によって前記他の操作部材に与えられる力を検出する力検出手段を更に備え、
前記反力制御手段は、前記他の操作部材に対する操作に応じて調整すべき前記操舵反力の調整量を前記力検出手段による検出結果に基づき決定することを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明において、
前記他の操作部材は、所定のレバースイッチを構成するレバーであり、
前記力検出手段は、前記レバースイッチの基部に配置され、
前記反力制御手段は、前記力検出手段により得られる検出値に基づき、前記レバーに与えられる力に相当する前記操舵用操作部材に対する操作のトルク量を求め、当該求められたトルク量に基づき前記操舵反力の調整量を決定することを特徴とする。

上記第１の発明によれば、反力モータが発生すべき操舵反力は、路面反力に応じて決定されることに加えて、操舵用操作部材の近傍に配置された他の操作部材に対する操作に応じて調整される。これにより、操舵用操作部材に対する操作と同時に他の操作部材が操作される場合であっても、運転者は違和感を感じることなく操舵のための操作を行うことができる。

上記第２の発明によれば、他の操作部材に対する操作に応じて調整すべき操舵反力の調整量が力検出手段による検出結果に基づき決定されることで、操舵反力がより適切に調整される。これにより、操舵用操作部材に対する操作と同時に他の操作部材が操作される場合であっても、運転者は違和感を感じることなく操舵のための操作を行うことができる。

上記第３の発明によれば、他の操作部材としてのレバーの操作により当該レバーに与えられる力が検出され、その検出値に基づき、当該レバーに与えられる力に相当する操舵用操作部材に対する操作のトルク量が求められ、そのトルク量に基づき操舵反力の調整量が決定される。これにより、操舵用操作部材に対する操作と同時に当該レバーが操作される場合であっても、運転者は違和感を感じることなく操舵のための操作を行うことができる。

＜１．全体構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る車両用操舵装置の構成を、それに関連する車両構成と共に示す概略図である。この操舵装置では、ステアバイワイヤ方式が採用されており、操舵のための操作部材であるハンドル(ステアリングホイール）２と車両の転舵輪８とが機械的に切り離されている。すなわち、この操舵装置は、ハンドル２を操作部材として含む操作部と転舵輪８の向きを変えるための機構を含む転舵部とを備えており、操作部におけるハンドル操作すなわちハンドル２に対する回転操作は、電気信号を介して転舵部に伝達される。

この操舵装置における操舵部は、ハンドル２と、操舵角センサ３と、操舵反力モータ４と、トルクセンサ５とを含み、転舵部は、ステアリングロッド７と、そのステアリングロッド７の両端を転舵輪８に結合するための連結部材６と、ステアリングギヤ９と、転舵モータ１０と、転舵変位量センサ１２とを含んでいる。また、この操舵装置は、操作部の操舵反力モータ（以下、単に「反力モータ」ともいう）４および転舵部の転舵モータ１０の駆動を制御するための制御装置としての電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」と略記する）を備えている。

操舵部において、操舵のための操作部材であるハンドル２が運転者によって操作されると、操舵角センサ３は、その操作によるハンドル２の回転角を操舵角θとして検出し、トルクセンサ５は、その操作によってハンドル２に与えられるトルクを操舵トルクＴｓとして検出する。

転舵部において、ステアリングロッド７は、ステアリングギヤ９を介して転舵モータ１０と機械的に結合しており、ステアリングギヤ９は、転舵モータ１０のロータの回転をステアリングロッド７の直線運動に変換する。すなわち、ステアリングロッド７は転舵モータ１０によって車両の左右方向に変位する。一方、ステアリングロッド７の両端は、タイロッドおよびナックルアームからなる連結部材６を介して転舵輪８に結合されている。したがって、転舵モータ１０の駆動によって転舵輪８の向きを変えることで車両を操舵することができる。なお、このステアリングロッド７の変位は転舵変位量センサ１２によって転舵変位量Ｘとして検出される。この転舵変位量Ｘは、転舵輪８の転舵角に対応している。

操舵部において操舵角センサ３およびトルクセンサ５により得られる検出信号すなわち操舵角θおよび操舵トルクＴｓを示す検出信号は、ＥＣＵ１３に入力される。また、この操舵装置が搭載された車両には、その車両の走行速度を車速Ｖとして検出する車速センサ１１が設けられており、この車速センサ１１により得られる検出信号もＥＣＵ１３に入力される。さらに、転舵部の転舵変位量センサ１２により得られる検出信号すなわち転舵変位量Ｘを示す信号もＥＣＵ１３に入力される。

また、図１では省略されているが、図２に示すように本実施形態では、操舵のための操作部材であるハンドル２の裏側に、他の操作部材としてウィンカーレバーのようなレバー２０を含むレバースイッチが配置されている。本実施形態では、このレバースイッチの基部を構成する回転支持部２１を挟むように力センサとして第１および第２荷重センサ２５，２６が設けられており、これら第１および第２荷重センサ２５，２６による検出信号Ｆ１，Ｆ２もＥＣＵ１３に入力される。ここで、ハンドル２の左回り方向にレバー２０が操作されると第１荷重センサ２５が圧縮され、ハンドル２の右回り方向にレバー２０が操作されると第２荷重センサ２６が圧縮され、それらの圧縮力に対応する検出値が出力される（以下では、第１および第２荷重センサ２５，２６から出力される検出値を、それぞれ、「第１および第２の荷重値Ｆ１，Ｆ２」と呼ぶものとする）。なお、第１および第２荷重センサ２５，２６の双方が同じ検出値を出力する場合は、故障が検出されたことになる。

ＥＣＵ１３は、上記のような種々の検出信号に基づき、転舵モータ１０および反力モータ４を駆動する。これにより、転舵モータ１０は、ハンドル操作に応じて転舵輪８の向きを変え、反力モータ４は、転舵輪８の転舵に対する路面反力等に応じた適切な操舵反力をハンドル２に与える。

＜２．ＥＣＵの構成および動作＞
図３は、ＥＣＵ１３の機能的構成を示すブロック図である。ＥＣＵ１３は、転舵モータ制御部１０１および転舵モータ駆動回路１０３と、反力モータ制御部１０２および反力モータ駆動回路１０４とを備えており、転舵力制御手段としての転舵モータ制御部１０１および反力制御手段としての反力モータ制御部１０２の主要部は、ＥＣＵ１３に内蔵されるマイクロコンピュータにおいて所定のプログラムを実行することによりソフトウェア的に実現される。なお、転舵モータ駆動回路１０３は、転舵モータ１０に流れる電流を検出する電流センサを含み、その電流センサによる電流の検出値Ｉ１は、転舵モータ制御部１０１に入力されると共に反力モータ制御部１０２にも入力される。また、反力モータ駆動回路１０４は反力モータ４に流れる電流を検出する電流センサを含み、その電流センサによる電流の検出値Ｉ２は反力モータ制御部１０２に入力される。

転舵モータ制御部１０１は、転舵変位量Ｘ、操舵角θ、および車速Ｖを示す検出信号を転舵変位量センサ１２、操舵角センサ３、および車速センサ１１からそれぞれ受け取り、転舵モータ１０を駆動するための制御信号Ｓｃ１を出力する。具体的には、まず、操舵角θおよび車速Ｖに基づき転舵変位量の目標値Ｘｔを決定し、この転舵変位量目標値Ｘｔと転舵変位量センサ１２の検出信号が示す転舵変位量Ｘとの偏差（Ｘｔ−Ｘ）が打ち消されるように、転舵モータ１０に流すべき電流の目標値Ｉｔ１を求める。次に、その電流目標値Ｉｔ１と転舵モータに流れる電流の検出値Ｉ１との偏差（Ｉｔ１−Ｉ１）に基づき、転舵モータ１０に印加すべき電圧の指令値を求め、この電圧指令値を示す制御信号Ｓｃ１を出力する。転舵モータ駆動回路１０３は、スイッチング素子としての複数のパワートランジスタを用いて構成されており、それらのパワートランジスタを制御信号Ｓｃ１に応じたデューティ比でオン／オフさせることにより、そのデューティ比に応じた電圧を転舵モータ１０に印加する。これにより転舵モータ１０は、上記偏差（Ｘｔ−Ｘ）が打ち消されるようにステアリングロッド７を移動させ、その移動（変位量）に応じて転舵輪８の向きが変わる。なお本発明は、転舵モータ１０の駆動制御を転舵モータ制御部１０１による上述の制御に限定するものではなく、転舵モータ１０の駆動を他の公知の制御方法により制御してもよい。

反力モータ制御部１０２は、車速Ｖ、操舵トルクＴｓ、第１の荷重値Ｆ１、および第２の荷重値Ｆ２を示す検出信号を、車速センサ１１、トルクセンサ５、第１荷重センサ２５、および第２荷重センサ２６からそれぞれ受け取り、反力モータ４を駆動するための制御信号Ｓｃ２を出力する。図４は、この反力モータ制御部１０２の動作すなわち反力モータ４の駆動制御処理を示すフローチャートである。以下、このフローチャートを参照しつつ反力モータ制御部１０２の動作を説明する。

まず、レバースイッチ基部に設けられた第１および第２荷重センサ２５，２６（図２、図３）から第１および第２の荷重値Ｆ１，Ｆ２をそれぞれ取得し（ステップＳ１０）、これらの荷重値Ｆ１，Ｆ２に基づき、レバー２０に対する操作によってレバー２０に与えられる力に相当するハンドル操作のトルク量を回転トルクＴｉとして算出する（ステップＳ１２）。具体的には、第１および第２の荷重値Ｆ１，Ｆ２から、レバー２０の操作のために運転者が加える力のうちハンドル２の回転の接線成分を求め、当該接線成分にレバー２０の操作点からハンドル２のコラム中心までの距離ｄを乗算することにより回転トルクＴｉを算出する。なお、上記接線成分や上記距離ｄを得るには、上記荷重値Ｆ１，Ｆ２以外にレバースイッチの搭載位置の情報が必要であるが、本実施形態では、これらの情報は予め反力モータ制御部１０２内に保持されている。

次に、転舵モータ１０の電流検出値Ｉ１を転舵モータ駆動回路１０３から取得すると共に、操舵トルクＴｓおよび車速Ｖをトルクセンサ５および車速センサ１１からそれぞれ取得する（ステップＳ１４）。その後、車速Ｖを考慮しつつ、転舵モータ１０の電流検出値Ｉ１に基づき路面反力に応じた基本操舵反力トルクＴｒを算出する（ステップＳ１６）。ただし本発明は、この基本操舵反力トルクＴｒの算出法をこれに限定するものではなく、他の公知の算出法により、路面反力等を反映した適切な操舵感を与えるような基本操舵反力トルクＴｒを求めてもよい。例えば、転舵モータ駆動回路１０３から電流検出値Ｉ１を取得する代わりに、転舵モータ制御部１０１から転舵モータ１０の電流目標値Ｉｔ１を取得し、その電流目標値Ｉｔ１に基づいて基本操舵反力トルクＴｒを求めてもよい。また、基本操舵反力トルクＴｒの算出に際し、これらの電流検出値Ｉ１や電流目標値Ｉｔ１を使用する代わりに、路面反力に相当する値を検出するセンサを別途設け、そのセンサによる検出値を使用してもよい。

次に、反力モータ４が発生すべきトルクの目標値（以下「反力トルク目標値Ｔｔ」という）を、上記の基本操舵反力トルクＴｒとステップＳ１２で求めた回転トルクＴｉを用いて次式により算出する（ステップＳ１８）。
Ｔｔ＝Ｔｒ＋ａ×Ｔｉ …（１）
上記式（１）における「ａ×Ｔｉ」は、レバー２０に対する操作に応じて調整すべき反力トルクの調整量を示している。ここで、ａは重み係数であり、レバー２０の操作によるハンドル操作のトルク変動が上記式（１）によって補償されるように、実験や計算機シミュレーション等に基づき適切なａの値が予め設定され反力モータ制御部１０２内に保持されている。なお、ａは必要に応じて１よりも大きな値を設定してもよい。また、レバー２０の操作方向がハンドル２０の操作方向と一致する場合には、ＴｒとＴｉとは同符号であり、レバー２０の操作方向とハンドル２０の操作方向とが逆である場合には、ＴｒとＴｉとは異符号である。

次に、上記反力トルク目標値Ｔｔに基づき、反力モータ４に流すべき電流の目標値Ｉｔ２を算出する（ステップＳ２０）。

次に、その電流目標値Ｉｔ２と反力モータ４に流れる電流の検出値Ｉ２との偏差（Ｉｔ２−Ｉ２）に基づく制御演算により、反力モータ４に印加すべき電圧の指令値を求め（ステップＳ２２）、この電圧指令値を示す制御信号Ｓｃ２を出力する（ステップＳ２４）。

その後、ステップＳ１０へ戻り、操舵装置が動作中は、ステップＳ１０〜Ｓ２４を繰り返し実行する。

上記のような駆動制御処理（ステップＳ１０〜Ｓ２４）により出力される制御信号Ｓｃ２は、反力モータ駆動回路１０４に入力される。反力モータ駆動回路１０４は、スイッチング素子としての複数のパワートランジスタを用いて構成されており、それらのパワートランジスタを制御信号Ｓｃ２に応じたデューティ比でオン／オフさせることにより、そのデューティ比に応じた電圧を反力モータ４に印加する。これにより反力モータ４は、路面反力等に応じた適切な操舵反力をハンドル２に与える。また、ハンドル操作中にレバー２０が操作されると、上記式（１）に基づきその操作方向に応じて操舵反力が増減する。

＜３．効果＞
上記のような本実施形態によれば、運転者に良好な操舵感を与えるべく路面反力等に応じた適切な操舵反力が反力モータ４によってハンドル２（操舵用操作部材）に与えられる。ここでハンドル４の近傍に配置されたレバー２０がハンドル操作と同時に操作されると、そのレバー操作によって運転者がハンドル４に加えるトルクが変化する。本実施形態では、このレバー操作によってレバースイッチに与えられる力に相当するハンドル操作の回転トルクＴｉが算出され、基本操舵反力トルクＴｒをその回転トルクＴｉに応じて修正することにより、反力モータ４が発生すべきトルクの目標値（反力トルク目標値Ｔｔ）が決定される。これにより、ハンドル操作と同時に当該ハンドル操作と逆の方向にレバー２０が操作される場合には、そのレバー操作に応じて反力トルクが低減され、ハンドル操作と同時に当該ハンドル操作と同じ方向にレバー２０が操作される場合には、そのレバー操作に応じて反力トルクが増加する。したがって本実施形態によれば、ステアバイワイヤ方式の操舵装置において、ハンドル操作と同時にレバー２０が操作される場合であっても、運転者は違和感を感じることなく操舵のための操作（ハンドル操作）を行うことができる。

＜４．変形例＞
上記実施形態では、操舵のための操作部材であるハンドル２の近傍に他の操作部材としてレバー２０が配置されているが、これに代えてまたはこれと共に、他の操作部材としてレバースイッチとは異なる形態の操作手段の操作部材（例えばボタンスイッチのボタン等）が配置されている場合においても、本発明の適用が可能である。すなわち、当該他の操作部材への操作によって、ハンドル２に与えられるトルクがどの程度変動するかを算出または推定できれば、その算出値または推定値に応じて反力モータ１０による反力トルクを調整することで、当該他の操作部材がハンドル操作と同時に操作されても、運転者は違和感を感じることなくハンドル操作を行うことが可能となる。

本発明の一実施形態に係る車両用操舵装置の構成をそれに関連する車両構成と共に示すブロック図である。上記実施形態における操舵用操作部材としてのハンドルの近傍に設けられたレバースイッチを示す斜視図である。上記実施形態に係る車両用操舵装置を制御的観点から見た構成を示すブロック図である。上記実施形態における反力モータ制御部の動作（反力モータの駆動制御処理）を示すフローチャートである。

符号の説明

２…ハンドル（操舵用操作部材）、３…操舵角センサ、４…操舵反力モータ、５…トルクセンサ、６…連結部材、７…ステアリングロッド、８…転舵輪、９…ステアリングギヤ、１０…転舵モータ、１１…車速センサ、１２…転舵変位量センサ、２０…レバー（他の操作部材）、２１…回転支持部、２５，２６…第１および第２荷重センサ（力センサ）、１０２…反力モータ制御部（反力制御手段）。

Claims

車両操舵のために操作される操舵用操作部材と当該操作部材に対する操作に応じて向きを変える転舵輪とが機械的に切り離されているステアバイワイヤ方式の車両用操舵装置であって、
前記操舵用操作部材に対する操作に応じて前記転舵輪の向きを変えるための転舵モータと、
前記転舵輪の転舵に対する路面反力に応じて前記操舵用操作部材に操舵反力を付与するための反力モータと、
前記反力モータが発生すべき操舵反力を、前記操舵用操作部材の近傍に配置された他の操作部材に対する操作に応じて調整する反力制御手段と
を備えることを特徴とする、車両用操舵装置。
前記他の操作部材に対する操作によって前記他の操作部材に与えられる力を検出する力検出手段を更に備え、
前記反力制御手段は、前記他の操作部材に対する操作に応じて調整すべき前記操舵反力の調整量を前記力検出手段による検出結果に基づき決定することを特徴とする、請求項１に記載の車両用操舵装置。
前記他の操作部材は、所定のレバースイッチを構成するレバーであり、
前記力検出手段は、前記レバースイッチの基部に配置され、
前記反力制御手段は、前記力検出手段により得られる検出値に基づき、前記レバーに与えられる力に相当する前記操舵用操作部材に対する操作のトルク量を求め、当該求められたトルク量に基づき前記操舵反力の調整量を決定することを特徴とする、請求項２に記載の車両用操舵装置。