JP6732936B2 - 電動サーボモータを備えた操舵システムにおける操舵角を特定するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、電動サーボモータを備えた操舵システムにおける操舵角を特定するための方法に関する。

操舵運動を支援するための電動サーボモータを備えた車両における操舵システムは、公知である。サーボトルクは、例えば、ステアリングギヤボックスを介して操舵システムに供給され、この場合、ステアリングギヤボックスは、ステアリングシャフトの操舵運動を、操舵可能な車輪の転舵運動に変換する。この種の操舵システムは、例えば独国特許出願公開第１０２０１００６２５７７号明細書（ＤＥ１０２０１００６２５７７Ａ１）に記載されている。

その上さらに、ステアリングシャフトの現在の操舵角を検出するための操舵角センサを使用することも公知である。独国特許出願公開第１９７０３９０３号明細書（ＤＥ１９７０３９０３Ａ１）によれば、ステアリングシャフトに永久磁石が取り付けられ、それに対して、ハウジング側においては、磁場感応センサが対応付けられており、このセンサを介して、ステアリングシャフトが回転した場合の磁場変化を取り出すことができ、この磁場変化から、操舵角を推定することができる。

さらに、独国特許出願公開第１０２４８０６０号明細書（ＤＥ１０２４８０６０Ａ１）からは、回転可能な磁気構成部品の現在の角度位置を検出するために、ＡＭＲセンサ、及び、相互に所定の角度で配置された２つのホールセンサをさらに配置することが公知である。この構成は、１つのセンサだけを用いる場合よりも広い角度範囲の検出を可能にする。

独国特許出願公開第１０２０１００６２５７７号明細書 独国特許出願公開第１９７０３９０３号明細書 独国特許出願公開第１０２４８０６０号明細書

本発明の基礎をなす課題は、簡単な手段を用いて、高い安全性のもとで、操舵システムにおける操舵角を特定することである。

この課題は、本発明に基づき独立請求項の特徴部分によって解決される。従属請求項は、合目的的な発展形態を示している。

本発明に係る方法を用いれば、支援するサーボトルクを生成する電動サーボモータを備えた操舵システムにおいて、操舵角を特定することができる。このサーボモータは、例えば、操舵システムのステアリングギヤボックスを介して、操舵システムと運動学的に接続されており、それにより、ステアリングシャフトの操舵運動が、操舵可能な車輪の転舵運動に変換される。電動サーボモータのロータと、操舵システムとの運動学的な接続に基づき、モータの複数の回転にわたる一義的な関係のロータ位置角度から、現在の操舵角を推定することができる。

操舵システムの電動サーボモータは、ロータ位置センサと、当該ロータ位置センサの回転数をカウントするロータ位置カウンタとを備えており、それらによって、現在のロータ位置角度を特定することが可能である。その上さらに、操舵システムは、ステアリングシャフトに接続された１つの太陽歯車と、当該太陽歯車に噛み合いかつそれぞれ１つの遊星歯車位置センサが対応付けられている２つの遊星歯車とを含んでいる別のセンサシステムを備えている。これらの２つの遊星歯車は、互いに異なる歯数を有している。これによって、バーニヤ原理に従って、２つの遊星歯車の現下において特定された角度位置から、現在の操舵角を特定することが可能になる。２つの遊星歯車の互いに異なる歯数に基づいて、これらは、各操舵角のもとで所定の遊星歯車角度を有し、この場合、２つの遊星歯車の遊星歯車角度は相互に異なる。遊星歯車角度間の差異に基づいて、２つの遊星歯車の角度対の知識のもとで、操舵角に対する一義的な対応付けが操舵角範囲全体にわたって可能となる。

従って、本発明に係る操舵システムは、操舵角を特定するための２つの異なるセンサシステムを冗長的に備えている。操舵角は、好ましくは、通常の動作モードにおいて正常に機能している遊星歯車位置センサを用いて、２つの遊星歯車の角度位置から特定される。この手法は、当該センサシステムが電圧供給に依存していないこと、及び、待機電流が不要であること、という利点を有する。ここでは、特に、バッテリ電圧消失後の、２つの遊星歯車位置センサを備えたセンサシステムの新たな初期化は不要である。基礎としているバーニヤ原理に基づき、バッテリ電圧消失後であっても、遊星歯車位置センサの初期化を必要とすることなく、現在の操舵角を、２つの遊星歯車の特定された角度位置のみからいつでも推定することが可能である。

遊星歯車位置センサが故障し、それに伴って通常の動作モードを維持することができない場合においては、操舵角は、電動サーボモータに対応付けられたロータ位置センサ及びロータ位置カウンタを用いて特定される。それによって、ロータ位置センサ及びロータ位置カウンタは、遊星歯車位置センサが故障し、操舵角がもはや遊星歯車位置角度の値対からは特定することができなくなったケースに対する安全手段又は救済手段として用いられる。

ロータ位置カウンタは、操舵角の情報を含む。ロータ位置センサは、例えば約２０°のステアリングホイール運動をカバーする。ロータ位置カウンタの角度情報は、約５°のステアリングホイール運動の分解能を有する。それゆえに、ロータ位置カウンタの粗分解能な絶対位置と、細分解能ではあるが、ステアリングホイール位置に関しては多義的なロータ位置センサの情報とによって、ステアリングホイール位置が、より高分解能で特定される。

総じて、この手法により、故障時の安全性が大幅に高められる。相互に依存しない２つのセンサシステムを備えた冗長的形態は、遊星歯車位置センサの故障時でも、操舵角を特定することを可能にさせる。故障時の安全性は、正常に機能している遊星歯車位置センサにおいて、待機電流消費が不要なため、待機状態における電気依存性が存在しないことによっても改善されている。バッテリ電圧消失後の遊星歯車位置センサの初期化は、不要である。

本発明に係る方法は、２つの異なるセンサシステムの適用を階層的な順序でもたらす。通常の動作においては、太陽歯車並びに２つの遊星歯車及びそれらに対応付けられた各遊星歯車位置センサを備えたセンサシステムが、操舵角特定のために用いられる。２つの遊星歯車位置センサが正常に動作する限り、ロータ位置センサ及びロータ位置カウンタを起動させる必要はなく、又は、ロータ位置センサ及びロータ位置カウンタのデータを用いる必要もない。しかしながら、それにもかかわらず、ロータ位置センサ及びロータ位置カウンタの情報を、遊星歯車位置センサから得られた操舵角の検証のために用いることも可能である。

遊星歯車位置センサの故障により、ロータ位置センサ及びロータ位置カウンタが用いられる。遊星歯車位置センサの故障は、このセンサの電圧供給、このセンサにおけるハードウェアのエラー、又は、このセンサの信号伝送のための電気線路における欠陥に関している。

好ましい実施形態によれば、遊星歯車位置センサの故障後に、無傷のままで残存している遊星歯車位置センサの値は、ロータ位置カウンタの初期化のために用いられる。この手法は、ステアリングのゼロ位置又は中心位置を特定することができるという利点を有しており、そのため、ロータ位置センサのデータを介して、中心位置から左右への変位を検出することが可能になる。無傷のままの遊星歯車位置センサは、初期化信号を提供する機能を引き継ぐ。

さらに別の合目的的な実施形態によれば、遊星歯車位置センサのデータは、別の遊星歯車位置センサの故障の際に継続的に再利用されて、ロータ位置センサ又はロータ位置カウンタのデータと共に、現在の操舵角を特定するために用いられる。遊星歯車位置センサのデータは、ロータ位置センサ又はロータ位置カウンタの情報を用いて継続的に指標化される。

さらに別の合目的的な実施形態によれば、遊星歯車位置センサの故障後に、ステアリングシャフト中心位置の値が、無傷で残存している遊星歯車位置センサを用いてステアリングシャフトの終端ストッパ同士の間でのステアリングシャフト運動から特定される。この終端ストッパ同士の間での運動（これは、例えば駐車過程の間に検出される）は、最大限可能な操舵角範囲を規定し、この操舵角範囲にわたって、残存している遊星歯車位置センサの各値にロータ位置センサ又はロータ位置カウンタの値を対応付けることができ、そこから現在の操舵角を推定することができる。

本発明に係る、操舵角を特定するための方法を実施することのできる操舵システムは、上述したように、対応付けられたロータ位置センサとロータ位置カウンタとを有する電動サーボモータと、さらに別のセンサシステムとして、２つの噛み合う遊星歯車とそれぞれ１つの遊星歯車位置センサとを有しかつステアリングシャフトと共に回転する太陽歯車とを含むものである。これらの遊星歯車は、所望のバーニヤ原理を実現することができるようにするために、互いに異なる歯数を有している。２つの遊星歯車の歯数は、ここでは、好ましい実施形態によれば、最大で１０％異なる。基本的には、２つの遊星歯車の歯数は、一方の歯だけ異なっていれば十分である。また、合目的的には、遊星歯車位置角度の値対を操舵角に対応付ける際の多義性を回避するために、２つの遊星歯車の歯数が調和的に離調される。

さらに別の利点及び合目的的な実施形態は、さらに別の請求項、図面及び図面の説明から明らかとなる。

操舵支援のための電動サーボモータを備えた車両用操舵システムを示した図。 操舵システムにおけるセンサシステムの概略図。

図中において、同一の構成部品には、同一の参照符号が付されている。

図１に示されている車両用操舵システム１は、ステアリングホイール２と、ステアリングシャフト又は操舵軸３と、ステアリングハウジング又はギヤボックスハウジング４と、ステアリングラック５を有するステアリングコラムとを備えており、ステアリングラック５を介して、操舵運動が、車両の操舵可能な車輪６に伝達される。ギヤボックスハウジング４には、ステアリングピニオンを有するステアリングギヤボックス８と、ステアリングラック５とが収容されており、この場合、ステアリングピニオンは、操舵軸３に相対回動不能に接続され、ステアリングラック５に噛み合っている。

運転者は、ステアリングシャフト３に固定的に接続されたステアリングホイール２を介して操舵角δ_Ｌを設定し、この操舵角δ_Ｌは、ギヤボックスハウジング４内のステアリングギヤボックス８において、ステアリングコラムのステアリングラック５に伝達され、それに続いて、操舵可能な車輪６において転舵輪角度δ_Ｖが生じる。

運転者によって加えられた手動トルクを支援するために、操舵システム１内には電動サーボモータ７が配置されており、この電動サーボモータ７を介して、ステアリングギヤボックス８内にサーボトルクを供給することができる。

図２は、第１のセンサシステム９と第２のセンサシステム１０とを備え、さらにステアリングシャフト３の現在の操舵角を特定するための制御装置１１を備えた操舵システムの抜粋図を示す。第１のセンサシステム９は、操舵軸３に相対回動不能に接続された１つの太陽歯車１２と、２つの遊星歯車１３及び１４と、当該遊星歯車１３又は１４にそれぞれ対応付けられた２つの遊星歯車位置センサ１５及び１６とを含んでいる。

第２のセンサシステム１０は、電動サーボモータ７のロータシャフト上の信号発信器１７と、ハウジング側のロータ位置センサ１８と、ロータ位置カウンタ１９とを含む。信号発信器１７は、好ましくは、電動サーボモータ７のロータシャフトの端面に相対回動不能に配置された永久磁石として構成されている。ロータ位置センサ１８は、例えば、ホールセンサである。ロータ位置カウンタ１９は、好ましくは、制御装置１１に統合されている。信号発信器１７、ロータ位置センサ１８、及び、ロータ位置カウンタ１９を有する第２のセンサシステム１０は、それ自体公知のように機能し、その際には、ロータシャフトの回転のもとで変化する信号発信器１７の磁場が、ロータ位置センサ１８によって検出され、評価される。

太陽歯車３と、２つの遊星歯車１３及び１４と、２つの遊星歯車位置センサ１５及び１６とを有する第１のセンサシステム９は、バーニヤ原理に基づいており、ここでは、シャフトに固定的に配置された太陽歯車３に噛み合う２つの遊星歯車１３及び１４は、互いに異なる歯数を有している。２つの遊星歯車１３及び１４の歯数は、少なくとも一方の歯が異なっており、例えば、２つの遊星歯車１３及び１４の間の歯数は、約１０％異なる。この異なる歯数に基づいて、２つの遊星歯車１３及び１４の各角度位置対には、ステアリングシャフト３の正確に１つの操舵角が対応付けられている。各遊星歯車１３，１４の角度位置は、それぞれ対応付けられた遊星歯車位置センサ１５又は１６を介して特定される。

第１のセンサシステム９において感応的に検出されたデータも、第２のセンサシステム１０において感応的に検出されたデータも、評価は、制御装置１１において行われる。

操舵角は、操舵システムの通常の動作モードにおいて、遊星歯車位置センサ１５及び１６が機能している場合には、２つの遊星歯車１３及び１４を有する第１のセンサシステム９を介して特定される。それに対して、第２のセンサシステム１０は、通常の動作モードにおいては機能しないように設定されている。この手法は、第１のセンサシステム９が電力消費を要さず、従って、車両のバッテリ電圧に依存しないため、搭載電源網における電圧降下が操舵角を特定することに影響を及ぼさないという利点を有する。

エラーケースの場合、即ち、遊星歯車位置センサ１５又は１６が故障した場合には、第１のセンサシステム９を介して操舵角を特定することは、もはや不可能である。このケースにおいては、第２のセンサシステム１０が起動され、この第２のセンサシステム１０を介して操舵角を特定することが連続的に継続され得る。無傷で残存している遊星歯車位置センサは、ここでは、第２のセンサシステムの、特にロータ位置センサ１８の初期化のために用いられる。

１ 操舵システム
２ ステアリングホイール
３ ステアリングシャフト
４ ギヤボックスハウジング
５ ステアリングラック
６ 前輪
７ 電動サーボモータ
８ ステアリングギヤボックス
９ 第１のセンサシステム
１０ 第２のセンサシステム
１１ 制御装置
１２ 太陽歯車
１３ 第１の遊星歯車
１４ 第２の遊星歯車
１５ 第１の遊星歯車位置センサ
１６ 第２の遊星歯車位置センサ
１７ 信号発信器
１８ ロータ位置センサ
１９ ロータ位置カウンタ

Claims (5)

1. 電動サーボモータ（７）を備えた操舵システムにおける操舵角を特定するための方法であって、
   前記電動サーボモータ（７）は、ロータ位置センサ（１８）と、前記ロータ位置センサ（１８）の回転数をカウントするロータ位置カウンタ（１９）とを備えており、
   ステアリングシャフト（３）に相対回動不能に太陽歯車（１２）が接続されており、前記太陽歯車（１２）には、互いに異なる歯数を有する２つの遊星歯車（１３，１４）が噛み合っており、前記２つの遊星歯車（１３，１４）には、それぞれ１つの遊星歯車位置センサ（１５，１６）が対応付けられており、
   通常の動作モードにおいて、現在の操舵角が、前記２つの遊星歯車（１３，１４）の角度位置から特定され、
   １つの遊星歯車位置センサ（１５，１６）の故障後に、現在の操舵角が、前記ロータ位置センサ（１８）の角度位置と、前記ロータ位置カウンタ（１９）の値とから特定される、方法。
2. 前記遊星歯車位置センサ（１５，１６）の故障後に、無傷で残存している前記遊星歯車位置センサ（１５，１６）の値は、前記ロータ位置カウンタ（１９）の指標化のために用いられる、請求項１に記載の方法。
3. 前記遊星歯車位置センサ（１５，１６）の故障後に、無傷で残存している前記遊星歯車位置センサ（１５，１６）を用いて、ステアリングシャフト中心位置の値が、ステアリング運動の終端ストッパ同士の間でのステアリングシャフト運動から特定される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法を実施するための操舵システムであって、
   電動サーボモータ（７）を備え、前記電動サーボモータ（７）は、ロータ位置センサ（１８）とロータ位置カウンタ（１９）とを備えており、
   ステアリングシャフト（３）に相対回動不能に太陽歯車（１２）が接続されており、前記太陽歯車（１２）には、互いに異なる歯数を有する２つの遊星歯車（１３，１４）が噛み合っており、前記２つの遊星歯車（１３，１４）には、それぞれ１つの遊星歯車位置センサ（１５，１６）が対応付けられている、操舵システム。
5. 前記２つの遊星歯車（１３，１４）の前記歯数は、最大で１０％異なっている、請求項４に記載の操舵システム。

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