JP6842049B1 - Force feedback brake pedal system - Google Patents
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Abstract
【課題】協調回生制動中に従来のブレーキペダル感覚を維持するための力フィードバックブレーキペダルシステムの提供。【解決手段】ブレーキペダルシステム１００が、シャフト１１またはベアリング１２の周りに枢動式に取り付けられたブレーキペダル１０と、車両の回生制動システムおよび摩擦制動システムと電気通信する電子回路と、車両の回生制動および摩擦制動によって力フィードバックを提供するためのアクチュエータ２５であって、前記アクチュエータ２５が、ブレーキペダル１０と機械的に連通している、アクチュエータ２５とを備え、ブレーキペダルシステム１００が、ブレーキペダル１０とアクチュエータ２５との間に配置されるコンプライアント要素と、動作中にコンプライアント要素の偏向を測定し、データを前記電子回路に送信する位置センサとをさらに備える、力フィードバックブレーキペダルシステム１００。【選択図】図１PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a force feedback brake pedal system for maintaining a conventional brake pedal feeling during cooperative regenerative braking. SOLUTION: A brake pedal system 100 is pivotally mounted around a shaft 11 or a bearing 12, an electronic circuit that telecommunicationss with a vehicle regenerative braking system and a friction braking system, and a vehicle regeneration. An actuator 25 for providing force feedback by braking and friction braking, wherein the actuator 25 includes an actuator 25 that is mechanically communicated with the brake pedal 10, and the brake pedal system 100 comprises the brake pedal 10. A force feedback brake pedal system 100 further comprising a compliant element disposed between the actuator 25 and a position sensor that measures the deflection of the compliant element during operation and transmits the data to the electronic circuit. [Selection diagram] Fig. 1
Description
本発明は、回生制動システムと摩擦制動システムとを組み合わせた電気自動車用のブレーキペダル機構に関する。より詳細には、本発明は、安全性および運転者の経験を改善するために、従来のブレーキペダルの感触を維持するための力フィードバックブレーキペダルを提案する。 The present invention relates to a brake pedal mechanism for an electric vehicle that combines a regenerative braking system and a friction braking system. More specifically, the present invention proposes a force feedback brake pedal to maintain the feel of a conventional brake pedal in order to improve safety and the driver's experience.
電気駆動ユニットを備え付けた車両（電気自動車またはハイブリッド車など）では、電気モータもまた使用されて車両の速度を低下させることができる。特に、回生制動中、電気モータは発電機として使用され、車両の運動エネルギーを電気エネルギーに変換して、従来の摩擦制動によりそのエネルギーを散逸させる代わりに、電池パックに保存される。回生制動の適切な使用は、効率を改善し、電気自動車およびハイブリッド車の範囲を拡大するために重要である。さらに、エネルギー効率を大幅に改善し、排出基準を満たすのに役立つために、回生制動が電気自動車およびハイブリッド車によって一般に採用されている。 In vehicles equipped with an electric drive unit (such as electric vehicles or hybrid vehicles), electric motors can also be used to reduce the speed of the vehicle. In particular, during regenerative braking, the electric motor is used as a generator to convert the kinetic energy of the vehicle into electrical energy, which is stored in a battery pack instead of being dissipated by conventional friction braking. Proper use of regenerative braking is important for improving efficiency and expanding the range of electric and hybrid vehicles. In addition, regenerative braking is commonly adopted by electric and hybrid vehicles to significantly improve energy efficiency and help meet emission standards.
摩擦制動を回生制動と組み合わせるために使用される方法は、並列して協調する回生制動として２つの主な手法に大まかに分類され得る。並列制動中、従来の摩擦制動は常に使用されるが、さらなる減速が必要であり、十分な回生制動力が利用可能である場合、それらを増強するために回生制動が使用される。並列制動は実施するのが比較的簡単であるが、この手法では摩擦ブレーキを多用しているため、電力効率性に欠ける。 The methods used to combine friction braking with regenerative braking can be broadly categorized into two main methods as parallel and coordinated regenerative braking. During parallel braking, conventional friction braking is always used, but if further deceleration is required and sufficient regenerative braking force is available, regenerative braking is used to enhance them. Parallel braking is relatively easy to implement, but it lacks power efficiency due to the heavy use of friction braking.
協調制動は、要求された減速を提供するために回生制動が可能な限り利用され、同時に電池パックを充電する、一般的に使用される手法である。 Coordinated braking is a commonly used technique in which regenerative braking is utilized as much as possible to provide the required deceleration and at the same time charge the battery pack.
回生制動は電力効率にとって非常に重要であるが、回生制動力は車両速度の非線形関数であり、電気モータのサイズ、ならびに電池パックが任意の所与の瞬間に受け入れることができる充電量によって制約されるため、その利用は困難である。例えば、一般に、低速では十分な制動力を生成できず、一方で高速では恒久的な損傷を引き起こさずに電池を充電できないので、非常に低速および高速の領域で回生制動を用いることはできない。したがって、安全な減速を達成するには、従来の摩擦制動がやはり回生制動と共に採用される必要がある。 Regenerative braking is very important for power efficiency, but regenerative braking is a non-linear function of vehicle speed and is constrained by the size of the electric motor and the amount of charge the battery pack can accept at any given moment. Therefore, its use is difficult. For example, regenerative braking cannot be used in the very low and high speed regions, as in general it is not possible to generate sufficient braking force at low speeds while charging the battery at high speeds without causing permanent damage. Therefore, in order to achieve safe deceleration, conventional friction braking still needs to be adopted along with regenerative braking.
従来技術では、協調制動が非常に効率的であり、代替の回生制動手法と比較して最大５０％多くのエネルギーを回収できることが示されてきた。したがって、自動車産業は協調制動方式に移行している。 Previous techniques have shown that coordinated braking is very efficient and can recover up to 50% more energy compared to alternative regenerative braking techniques. Therefore, the automobile industry is shifting to a coordinated braking system.
ブレーキペダルが提供する力フィードバックは、運転者が車両を安全に減速させることを保証する重要な感覚フィードバックである。回生制動は、従来の油圧式または電気油圧式制動とは異なり、ブレーキペダルと回生ブレーキ力との間に物理的な結合が全く存在しないため、従来のブレーキ感覚を乱す。その結果、回生制動が用いられる場合、ペダル感触が突然に、非線形的に影響を受ける可能性がある。例えば、回生制動が有効または無効になっている場合、ブレーキペダルの急速な軟化または硬化が一般的に経験される。ブレーキペダルのこの不慣れな力学は、運転者の能力に悪影響を及ぼし、運転者が長時間のトレーニング期間にわたって、この非直感的なブレーキペダル感覚を再学習する必要があるので、安全上重要な問題である。 The force feedback provided by the brake pedal is an important sensory feedback that ensures that the driver can safely decelerate the vehicle. Regenerative braking, unlike conventional hydraulic or electro-hydraulic braking, disturbs the conventional braking sensation because there is no physical coupling between the brake pedal and the regenerative braking force. As a result, when regenerative braking is used, the pedal feel can be suddenly and non-linearly affected. For example, when regenerative braking is enabled or disabled, rapid softening or hardening of the brake pedal is commonly experienced. This unfamiliar dynamics of the brake pedal is a safety issue as it negatively impacts the driver's abilities and requires the driver to relearn this non-intuitive brake pedal sensation over long training periods. Is.
先行技術において、協調回生制動システムのための滑らかな従来のブレーキペダル感覚を達成するためのいくつかの手法が提案されていることが知られている。本発明の技術分野における先行技術の文献は、とりわけ米国特許第７３５７４６５号明細書を参照することができるが、前記文献は、ブレーキペダルについての所定の力変位関係を実施するためにさまざまな弾性および散逸要素を利用することによりペダル感覚を提供する受動的手法を開示している。さらに、別の先行技術である米国特許第６９１６０７４号明細書は、磁気粘性流体を用いて実施される調整可能な減衰を開示している。受動的手法は低コストで簡単であるが、物理的な結合を通して摩擦制動力が運転者に影響を及ぼす場合、受動的手法には従来のブレーキ感覚を回復するための能動的力提供能力またはオンライン調整機能が欠けているので、ブレーキバイワイヤシステムに対してのみ使用可能である。別の米国特許第６６８４９８７号明細書は、ブレーキペダル用のモータ駆動フィードバック機構を開示している。前記機構は、シャフトを介してフレームに枢動可能に取り付けられたペダルと、前記ペダルの回転に対する抵抗および回転の補助を加えることができる双方向モータと、前記ペダルの少なくとも１つのパラメータを測定する手段と、前記ペダルの前記少なくとも１つのパラメータを分析する手段と、前記ペダルの前記少なくとも１つの測定されたパラメータに応答して、前記双方向モータの方向および速度を調整するために前記双方向モータを制御する手段とを備える。しかし、この特許出願には、従来のブレーキ需要を保証するためのペダル変位とマスタシリンダとの間のマッピング処理は存在しない。さらに、この特許出願には、ペダルとアクチュエータとの間を強固に結合する必要があるため、著しい欠点がある。 Prior art is known to have proposed several techniques for achieving a smooth conventional brake pedal feel for a coordinated regenerative braking system. Prior art documents in the art of the present invention can be referred to, among other things, US Pat. No. 7,357,465, which describes various elastic and elastic and various elastic and displacement relationships for carrying out a predetermined force-displacement relationship for a brake pedal. It discloses a passive technique that provides a pedal feel by utilizing a dissipative element. In addition, another prior art, US Pat. No. 6,916,704, discloses adjustable damping performed with ferrofluids. Passive methods are low cost and simple, but if friction braking forces affect the driver through physical coupling, passive methods have the ability to provide active force to restore the traditional braking sensation or online. Due to the lack of adjustment function, it can only be used for brake-by-wire systems. Another U.S. Pat. No. 6,648,987 discloses a motor-driven feedback mechanism for brake pedals. The mechanism measures at least one parameter of the pedal, a pedal pivotally attached to the frame via a shaft, a bidirectional motor capable of adding resistance to rotation of the pedal and rotational assistance. Means, means for analyzing said at least one parameter of the pedal, and said bidirectional motor to adjust the direction and speed of the bidirectional motor in response to said at least one measured parameter of the pedal. It is provided with a means for controlling. However, in this patent application, there is no conventional mapping process between pedal displacement and master cylinder to guarantee brake demand. In addition, this patent application has significant drawbacks because it requires a tight coupling between the pedal and the actuator.
加えて、米国特許第７７４８７９２号明細書は、複数のホイールシリンダに結合されたマスタシリンダを含むブレーキバイワイヤ自動車ブレーキシステムを開示しており、マスタシリンダは、マスタシリンダ自体の抵抗力または変位特性をシミュレートするマスタシリンダ力シミュレータと動作可能に接続されたブレーキペダルアセンブリによって作動される。電子制御コンプライアンス装置は、マスタシリンダ力シミュレータを選択的に固定し、その結果、シミュレータによって提供される抵抗力がブレーキペダルに選択的に加えられ得る。ただし、制動システムは回生制動の場合にのみ有効であり、協調制動システムの場合は動作できない。 In addition, US Pat. No. 7,748792 discloses a brake-by-wire automotive braking system that includes a master cylinder coupled to multiple wheel cylinders, where the master cylinder simulates the resistance or displacement characteristics of the master cylinder itself. It is operated by a brake pedal assembly that is operably connected to the master cylinder force simulator. The electronically controlled compliance device selectively fixes the master cylinder force simulator, so that the resistance provided by the simulator can be selectively applied to the brake pedal. However, the braking system is effective only in the case of regenerative braking, and cannot operate in the case of a coordinated braking system.
したがって、高忠実度の力制御性能をさらに改善し、電気自動車およびハイブリッド車のさまざまな車両設定に対して調整可能なブレーキペダル感覚を提供することが望ましい。 Therefore, it is desirable to further improve the high fidelity force control performance to provide an adjustable brake pedal feel for various vehicle settings in electric and hybrid vehicles.
本発明の主な目的は、現在の技術水準における上記の欠点をなくすことである。 A main object of the present invention is to eliminate the above-mentioned drawbacks in the current state of the art.
本発明の別の目的は、協調回生制動中に従来のブレーキペダル感覚を維持するための力フィードバックブレーキペダルシステムを提供することである。 Another object of the present invention is to provide a force feedback brake pedal system for maintaining a conventional brake pedal feel during coordinated regenerative braking.
本発明の別の目的は、低コストで、堅牢かつ高忠実度の力制御を保証する力フィードバックブレーキペダルシステムを提供することである。 Another object of the present invention is to provide a force feedback brake pedal system that guarantees robust and high fidelity force control at low cost.
本発明のさらなる目的は、回生制動の攪乱効果を補償し、自然なブレーキペダル感覚を回復する力フィードバックブレーキペダルシステムを提供することである。 A further object of the present invention is to provide a force feedback brake pedal system that compensates for the disturbing effect of regenerative braking and restores the natural brake pedal sensation.
本発明の他の目的は添付図面から明らかになり、図面の簡単な説明は、次のセクションならびに添付の特許請求の範囲の中に続く。 Other objects of the invention will become apparent from the accompanying drawings, and a brief description of the drawings will follow in the next section as well as in the appended claims.
本発明は、シャフトまたはベアリングの周りに枢動式に取り付けられたブレーキペダルと、車両の回生制動システムおよび摩擦制動システムと電気通信する電子回路と、車両の回生制動によって力フィードバックを提供するためのアクチュエータであって、前記アクチュエータが、ブレーキペダルと機械的に連通している、アクチュエータとを備え、ブレーキペダルシステムが、ブレーキペダルとアクチュエータとの間に配置されるコンプライアント要素と、動作中にコンプライアント要素の偏向を測定し、データを前記電子回路に送信する線形または回転変位あるいは偏向センサとをさらに備える、力フィードバックブレーキペダルシステムを提供する。 The present invention provides force feedback through regenerative braking of a vehicle, with brake pedals pivotally mounted around a shaft or bearing, electronic circuits that telecommunications with the vehicle's regenerative braking system and friction braking system. An actuator comprising an actuator in which the actuator is mechanically communicated with the brake pedal, the brake pedal system compiling during operation with a compliant element located between the brake pedal and the actuator. Provided is a force feedback brake pedal system further comprising a linear or rotational displacement or deflection sensor that measures the deflection of the client element and transmits the data to the electronic circuit.
可能な実施形態では、コンプライアント要素は、直列弾性アクチュエータ（ＳＥＡ）と名付けられたアクチュエータと直列である。ＳＥＡを備えたブレーキペダルは、従来の摩擦ブレーキペダルに並列に取り付けられるように設計可能であり、ブレーキペダルと摩擦ブレーキとの間の機械的結合が維持され得る。 In a possible embodiment, the compliant element is in series with an actuator named series elastic actuator (SEA). The brake pedal with SEA can be designed to be mounted in parallel with a conventional friction brake pedal, and the mechanical coupling between the brake pedal and the friction brake can be maintained.
簡単な説明が本明細書に提供される添付の図は、単に本発明のより良い理解を提供することを意図しており、保護の範囲、または前記範囲がその記載が存在しない場合に解釈されるべき文脈を定義することを意図するものではない。 The accompanying figures provided with brief description herein are merely intended to provide a better understanding of the invention and are to be construed as the scope of protection, or the scope described above, in the absence of such description. It is not intended to define the context in which it should be.
以下に、本発明による実施形態を例示する目的だけに提供される添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。添付図面で使用される参照符号のリストは次のとおりである。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings provided solely for the purpose of exemplifying embodiments of the present invention. The list of reference codes used in the accompanying drawings is as follows.
本発明は、電気またはハイブリッド車両の協調制動のための力フィードバックブレーキペダルシステム（１００）であって、前記車両が共同で回生制動システムおよび摩擦制動システムを有し、シャフト（１１）またはベアリングの周りに枢動式に取り付けられたブレーキペダル（１０）と、前記車両の回生制動システムおよび摩擦制動システムと電気通信する電子回路と、車両の回生制動および摩擦制動によって力フィードバックを提供するためのアクチュエータ（２５）であって、前記アクチュエータ（２５）が、ブレーキペダル（１０）と機械的に連通している、アクチュエータ（２５）とを主に備える力フィードバックブレーキペダルシステム（１００）を提供する。力フィードバックブレーキペダルシステム（１００）は、ブレーキペダル（１０）とアクチュエータ（２５）との間に配置されたコンプライアント要素（２５０）と、線形または回転変位あるいは偏向センサなどの位置センサ（４０）とをさらに備え、これは、動作中に、コンプライアント要素（２５０）の偏向を測定し、データを前記電子回路に送信する。前記コンプライアント要素（２５０）は、好都合には電気モータであり得るアクチュエータ（２５）と直列である。 The present invention is a force feedback brake pedal system (100) for coordinated braking of an electric or hybrid vehicle, wherein the vehicle jointly has a regenerative braking system and a friction braking system around a shaft (11) or bearings. A brake pedal (10) pivotally mounted on the vehicle, an electronic circuit that telecommunicationss with the vehicle's regenerative braking system and friction braking system, and an actuator for providing force feedback by vehicle's regenerative braking and friction braking ( 25), the force feedback brake pedal system (100) is provided, wherein the actuator (25) is mechanically communicated with the brake pedal (10) and mainly includes an actuator (25). The force feedback brake pedal system (100) comprises a compliant element (250) disposed between the brake pedal (10) and the actuator (25) and a position sensor (40) such as a linear or rotational displacement or deflection sensor. It further comprises, during operation, measuring the deflection of the compliant element (250) and transmitting the data to the electronic circuit. The compliant element (250) is conveniently in series with an actuator (25), which can be an electric motor.
可能な実施形態では、前記力フィードバックブレーキペダルシステム（１００）は、直列弾性アクチュエータ（ＳＥＡ）を含む単一自由度の力フィードバック装置として実施され得る。力制御フレームワークでの力推定のために、コンプライアント要素（２５０）およびセンサ（４０）による偏向測定を使用することによって、ＳＥＡは、より高い力フィードバック制御装置ゲインを利用して、応答性が高く、堅牢で安定した力制御を可能にする。ＳＥＡを含むブレーキペダル（１０）は、周波数スペクトル全体にわたって良好な出力インピーダンス特性も有する。特に、デバイスの力制御帯域幅内で、ＳＥＡは、能動的力制御を通して、つまり出力インピーダンスを所望のレベルに変調することにより、高忠実度の動力付与およびバックドラバビリティを保証できる。ロードセルまたは他の商用の力測定ベースの制御手法と比較して、ＳＥＡを備えたブレーキペダル（１０）は、桁違いに高いコンプライアント力感知要素を採用しており、より低コストで実施され得る。 In a possible embodiment, the force feedback brake pedal system (100) can be implemented as a single degree of freedom force feedback device including a series elastic actuator (SEA). By using deflection measurements with compliant element (250) and sensor (40) for force estimation in the force control framework, SEA is responsive by utilizing higher force feedback controller gain. Enables high, robust and stable force control. The brake pedal (10), including the SEA, also has good output impedance characteristics throughout the frequency spectrum. In particular, within the force control bandwidth of the device, the SEA can ensure high fidelity power delivery and back dragability through active force control, i.e. by modulating the output impedance to the desired level. Compared to load cells or other commercial force measurement based control methods, the brake pedal (10) with SEA employs an order of magnitude higher compliant force sensing element and can be implemented at a lower cost. ..
例示的な一実施形態では、コンプライアント要素（２５０）は、その第１の端部で、キャプスタン（３０）、プーリ（３０）またはギヤ（３０）を介して減速機構の出力シャフトに取り付けられ、その第２の端部（７０）で、図１に示すように、ブレーキペダル（１０）に固定して取り付けられている。キャプスタントランスミッションは、低摩擦を提供し、これは、比較的低慣性の回転トランスミッション要素の一種である。ブレーキペダル（１０）とコンプライアント要素（２５０）の第２の端部（７０）とは互いに強固に取り付けられている。図３のプーリ（３０）は、好ましくは減速要素（８０）を介してアクチュエータ（２５）によって作動される。一旦ペダル（１０）が相互作用すると、プーリ（３０）およびペダル（１０）が同じ量で移動しないため、板ばね（１４）を有するコンプライアント要素（２５０）が偏向する。偏向センサ（３５）はこの偏向を測定するが、一方でエンコーダ（４５）はアクチュエータ（２５）の回転を感知する。ペダル（１０）は、コンプライアント要素（２５０）に回転可能に結合され、図３に示されるように回転軸線（ｙ）を有する。偏向センサ（３５）は、コンプライアント要素（２５０）の２つの端部（３０、７０）の間に生じる偏向を測定する。コンプライアント要素（２５０）の第２の端部（７０）は、ペダル（１０）に強固に取り付けられている。 In one exemplary embodiment, the compliant element (250) is attached to the output shaft of the reduction mechanism via a capstan (30), pulley (30) or gear (30) at its first end. At its second end (70), as shown in FIG. 1, it is fixedly attached to the brake pedal (10). The capstan transmission provides low friction, which is a type of rotary transmission element with relatively low inertia. The brake pedal (10) and the second end (70) of the compliant element (250) are firmly attached to each other. The pulley (30) of FIG. 3 is preferably actuated by the actuator (25) via the deceleration element (80). Once the pedals (10) interact, the pulley (30) and pedal (10) do not move by the same amount, thus deflecting the compliant element (250) with the leaf spring (14). The deflection sensor (35) measures this deflection, while the encoder (45) senses the rotation of the actuator (25). The pedal (10) is rotatably coupled to the compliant element (250) and has a rotation axis (y) as shown in FIG. The deflection sensor (35) measures the deflection that occurs between the two ends (30, 70) of the compliant element (250). The second end (70) of the compliant element (250) is firmly attached to the pedal (10).
他の可能な実施形態では、前記力フィードバックブレーキペダルシステム（１００）は、アクチュエータの位置を感知するためのエンコーダ（４５）をさらに備える。一般に、キャプスタントランスミッションは、小さなピニオンまたはプーリ（１３）およびセクタプーリ（３０）などの大きな部品の２つの部品を有する。さらに、キャプスタントランスミッション（１５０）は、トルク出力の向上に役立つだけでなく、意図的に導入されたコンプライアント要素（２５０）および位置センサ（４０）を埋め込んで、この板ばね（１４）の偏向を測定する。加えて、コンプライアント要素（２５０）は、リニアエンコーダ（２２）などの偏向センサ（３５）としての位置センサ（４０）を備え付け、あるいはホール効果センサまたはコンプライアント要素（２５０）の偏向を正確に感知するための同様の手段を備え付けることができる。ホール効果センサは、コンプライアント要素（２５０）内に埋め込まれることもまた可能である。ロードセルまたは制御手法に基づく他の商用の力測定と比較して、前記力フィードバックブレーキペダルシステム（１００）は、マスタシリンダまたは運転者から受けた力を測定する手段により、桁違いに高いコンプライアント感知を採用している。さらに、定期的な位置検出とカスタムビルドのコンプライアントばね（１４）に基づいて、堅牢で低コストの力測定が実施され得る。有利には、より低コストの部品が、前記力フィードバックブレーキペダルシステム（１００）の実施におけるアクチュエータ（２５）または動力伝達要素（８０、１５０）として利用されて、堅牢で高忠実度の力制御を達成することができる。 In another possible embodiment, the force feedback brake pedal system (100) further comprises an encoder (45) for sensing the position of the actuator. Generally, a capstan transmission has two parts, a small pinion or a large part such as a pulley (13) and a sector pulley (30). In addition, the capstan transmission (150) not only helps improve torque output, but also embeds intentionally introduced compliant elements (250) and position sensors (40) to deflect the leaf springs (14). To measure. In addition, the compliant element (250) is equipped with a position sensor (40) as a deflection sensor (35) such as a linear encoder (22), or accurately senses the deflection of a Hall effect sensor or compliant element (250). Similar means can be provided for this. The Hall effect sensor can also be embedded within the compliant element (250). Compared to other commercial force measurements based on load cells or control techniques, the force feedback brake pedal system (100) has an order of magnitude higher compliant sensing by means of measuring the force received from the master cylinder or driver. Is adopted. In addition, robust and low cost force measurements can be performed based on regular position detection and custom built compliant springs (14). Advantageously, lower cost components are utilized as actuators (25) or power transmission elements (80, 150) in the implementation of the force feedback brake pedal system (100) to provide robust, high fidelity force control. Can be achieved.
別の可能な実施形態によれば、前記アクチュエータ（２５）は、図３に示されるような一次回転軸線（ｘ）を有する回転電気モータである。力フィードバックブレーキペダルシステム（１００）は、前記一次回転軸線（ｘ）を中心としたアクチュエータ（２５）の回転速度または出力トルクを調整するために使用され、出力シャフト（１１）を有する減速機構（８０）を有することができる。前記回転電気モータ（２５）は、ペダル（１０）からの測定に基づいて閉ループ制御下でブレーキペダル（１０）の運動を課すために使用され、ここで、コンプライアント要素（２５０）の偏向を測定すること、およびフックの法則（Ｈｏｏｋｅ’ｓ ｌａｗ）を使用することによりトルク評価が実行される。プーリ（１３）およびセクタプーリ（３０）は、トランスミッションキャプスタン（１５０）を構成する。好ましくは、動力伝達のために、図３に示すように、大きなトルク出力容量を有するギヤ付きＤＣモータが使用されて、キャプスタン（１５０）トランスミッションを駆動することができる。前記キャプスタントランスミッション（１５０）は、アクチュエータ（２５）の出力シャフト（１１）に取り付けられたピニオン（１３）と、被駆動セクタプーリ（１３）などのベアリングとを備えることができる。特に、キャプスタントランスミッション（１５０）は、トルク出力の向上に役立つだけでなく、意図的に導入されたコンプライアント要素（２５０）および位置センサ（４０）を埋め込んで、このコンプライアント要素の偏向を測定する。アクチュエータ（２５）は、シャフト（１１）での偏向を測定する光学式エンコーダまたはその他の手段を含むように選択される。 According to another possible embodiment, the actuator (25) is a rotating electric motor having a primary rotation axis (x) as shown in FIG. The force feedback brake pedal system (100) is used to adjust the rotational speed or output torque of the actuator (25) centered on the primary rotation axis (x), and is a reduction mechanism (80) having an output shaft (11). ) Can have. The rotary electric motor (25) is used to impose movement of the brake pedal (10) under closed loop control based on measurements from the pedal (10), where the deflection of the compliant element (250) is measured. Torque evaluation is performed by doing and using Hooke's law. The pulley (13) and sector pulley (30) constitute a transmission capstan (150). Preferably, for power transmission, a geared DC motor with a large torque output capacity can be used to drive the capstan (150) transmission, as shown in FIG. The capstan transmission (150) can include a pinion (13) attached to the output shaft (11) of the actuator (25) and a bearing such as a driven sector pulley (13). In particular, the capstan transmission (150) not only helps improve torque output, but also embeds a deliberately introduced compliant element (250) and position sensor (40) to measure the deflection of this compliant element. To do. The actuator (25) is selected to include an optical encoder or other means of measuring deflection at the shaft (11).
可能な実施形態では、図５から図９を参照すると、前記コンプライアント要素（２５０）は、２つの板ばね（１４）を対称的に交差させることにより形成され得る十字形屈曲ピボットとして構成される。前記十字形屈曲ジョイント（９０）は、ＳＥＡのコンプライアント要素（２５０）の一部であることが好ましく、このタイプのコンプライアント要素は、板ばね（１４）上方に応力を分散し、応力集中を回避するので堅牢であるからである。ブレーキペダル（１０）は、ボールベアリングを介して車両フレームに取り付けられることができ、セクタプーリは、十字形屈曲ジョイント（９０）を介してブレーキペダルに取り付けられることができる。十字形屈曲ジョイント（９０）の回転の中心は、ブレーキペダル（１０）の回転軸線と位置合わせされ、一方、ホール効果センサは、セクタプーリに埋め込まれた磁石間を移動するように拘束される。さらに、十字形屈曲ジョイント（１５０）の偏向を測定するために、光学式エンコーダ（１２）もまた採用され得る。最後に、従来の摩擦ブレーキペダル（１０）は、アクチュエータ（２５）上のエンコーダ（４５）で発生する可能性のある任意の故障を検出するために使用され得る冗長センサとして機能する変位センサを既に有する。 In a possible embodiment, with reference to FIGS. 5-9, the compliant element (250) is configured as a cross-flexing pivot that can be formed by symmetrically intersecting two leaf springs (14). .. The cross flexion joint (90) is preferably part of the SEA compliant element (250), which disperses stress above the leaf spring (14) and concentrates the stress. This is because it is robust because it avoids it. The brake pedal (10) can be attached to the vehicle frame via ball bearings and the sector pulley can be attached to the brake pedal via a cross flexion joint (90). The center of rotation of the cross flexion joint (90) is aligned with the rotation axis of the brake pedal (10), while the Hall effect sensor is constrained to move between magnets embedded in the sector pulley. In addition, an optical encoder (12) may also be employed to measure the deflection of the cross flexion joint (150). Finally, the conventional friction brake pedal (10) already has a displacement sensor that acts as a redundant sensor that can be used to detect any failure that may occur in the encoder (45) on the actuator (25). Have.
図４を参照すると、ブレーキペダル（１０）は、従来の油圧式ブレーキシステムのマスタシリンダと機械的に連通していることができる。太線は機械的結合を示し、一方、細線は上記の図中の信号を表す。したがって、ペダル変位は継続的に測定され、所望の減速度にマッピングされる。ペダル変位の測定により、力フィードバックブレーキペダルシステムは、ブレーキペダル変位を感知するための位置センサをさらに備えることができる。所望の車両減速度が与えられれば、ブレーキ力配分ブロックは、回生制動システムと摩擦制動システムの両方についてブレーキ力基準を生成するために、瞬間的な回生制動能力ならびに道路状況を考慮する。 With reference to FIG. 4, the brake pedal (10) can be mechanically communicated with the master cylinder of a conventional hydraulic brake system. Thick lines represent mechanical coupling, while thin lines represent signals in the figure above. Therefore, pedal displacement is continuously measured and mapped to the desired deceleration. By measuring the pedal displacement, the force feedback brake pedal system can further include a position sensor for sensing the brake pedal displacement. Given the desired vehicle deceleration, the braking force distribution block considers instantaneous regenerative braking capability as well as road conditions to generate braking force criteria for both the regenerative braking system and the friction braking system.
別の例示的な実施形態では、力フィードバックブレーキペダルシステム（１００）は、少なくとも２つのセンサを有し、その結果、モータの位置および弾性要素のペダル位置の偏向が推定され得る。力フィードバックブレーキペダルシステム（１００）は、ペダル位置、モータ位置、または弾性要素の偏向を測定する少なくとも２つのセンサを有する。システムを操作するためには、この３つの測定のうち２つで十分である。さらに、３つ以上のセンサは冗長である。安全のために冗長性は、十分である。 In another exemplary embodiment, the force feedback brake pedal system (100) has at least two sensors, so that the position of the motor and the deflection of the pedal position of the elastic element can be estimated. The force feedback brake pedal system (100) has at least two sensors that measure pedal position, motor position, or deflection of elastic elements. Two of these three measurements are sufficient to operate the system. In addition, the three or more sensors are redundant. Redundancy is sufficient for safety.
例示的な実施形態では、ブレーキペダル（１０）は、１Ｎｍの連続トルク出力を有する光学エンコーダ（４５）を備え付けるブラシレスＤＣモータ（２５）によって作動される。減速比１０：１を有する遊星歯車列が、ＤＣモータ（２５）に連結される。第２のレベルの４：１の減速比を提供するキャプスタントランスミッション（１５０）機構のセクタプーリ（３０）を駆動するために、ギヤ付きモータが使用される。セクタプーリ（３０）は、大きな偏向範囲を有する堅牢で簡単なコンプライアント要素（２５０）として機能する十字形屈曲ジョイント（９０）に基づく板ばね（１４）を介してブレーキペダルに取り付けられている。十字形屈曲ジョイント（９０）の偏向を測定するために、ホール効果センサ（３５）およびリニアエンコーダ（２２）が使用される。力フィードバックブレーキペダルシステム（１００）は、人間の足に連続的に１６０Ｎ以上、およびピークのペダル力５００Ｎを提供できる。さらに、第１のレベルで採用された低いトランスミッション比、および第２のレベルで実質的に摩擦のないキャプスタントランスミッション（１５０）の使用により、システムは人間の足によって受動的に戻し駆動可能であり、それにより運転者がシステムを無効にして摩擦制動を制御することができることを保証する。 In an exemplary embodiment, the brake pedal (10) is driven by a brushless DC motor (25) equipped with an optical encoder (45) having a continuous torque output of 1 Nm. A planetary gear train having a reduction ratio of 10: 1 is connected to the DC motor (25). A geared motor is used to drive the sector pulley (30) of the capstan transmission (150) mechanism that provides a second level 4: 1 reduction ratio. The sector pulley (30) is attached to the brake pedal via a leaf spring (14) based on a cross flexion joint (90) that acts as a robust and simple compliant element (250) with a large deflection range. A Hall effect sensor (35) and a linear encoder (22) are used to measure the deflection of the cross flexion joint (90). The force feedback brake pedal system (100) can continuously provide a human foot with 160 N or more and a peak pedal force of 500 N. In addition, due to the low transmission ratio adopted at the first level and the use of a virtually frictionless capstan transmission (150) at the second level, the system can be passively driven back by the human foot. It ensures that the driver can disable the system and control friction braking.
本発明の可能な実施形態によれば、力フィードバックブレーキペダル用のカスケード型制御装置が実施される。カスケード型制御装置は、内側の運動制御ループおよび外側の力制御ループから構成することができる。制御構造の内側ループは、堅牢な運動制御装置を使用して、摩擦またはスティクションなどの動力トランスミッションシステムの欠陥を補償し、運動制御システムをその制御帯域幅内で理想的な運動源にする。この運動制御装置は、可能な限り最高の制御比で実施される。外部制御ループは、１ｋＨｚで制御アーキテクチャに力フィードバックを組み込み、適切に設計された内側ループ下で良好な力トラッキング性能を保証することができる。 According to a possible embodiment of the present invention, a cascade type control device for a force feedback brake pedal is implemented. The cascade type control device can be composed of an inner motion control loop and an outer force control loop. The inner loop of the control structure uses a robust motion control device to compensate for defects in the power transmission system such as friction or stiction, making the motion control system an ideal source of motion within its control bandwidth. This motion control device is implemented with the highest possible control ratio. The external control loop can incorporate force feedback into the control architecture at 1 kHz to ensure good force tracking performance under a well-designed inner loop.
回生制動の介入下で、従来のブレーキペダル感覚の必要性を回復させるように、ブレーキペダル（１０）の変位に応じて、ペダル感覚ならびに必要な力フィードバックおよび減速の挙動を説明するために、さまざまな数学関数が選択され得る。 Various to explain pedal sensation and required force feedback and deceleration behavior, depending on the displacement of the brake pedal (10), to restore the need for conventional brake pedal sensation under regenerative braking intervention. Mathematical function can be selected.
本発明の別の態様によれば、図４に示すように、適切なスケーリングの後、回生力ブレーキ要求は、基準力として力フィードバックブレーキペダルシステム（１００）に伝えられる。力フィードバックブレーキペダルシステム（１００）は、閉ループの力制御に依存して、この基準力が高忠実度で運転者に提供されることを保証する。その結果、運転者は、車両に加えられた総制動力からの力フィードバック、つまり、機械的結合による摩擦制動およびブレーキペダル（１０）による回生制動からの力の合計を感じ取る。 According to another aspect of the invention, after proper scaling, the regenerative braking requirement is transmitted to the force feedback brake pedal system (100) as a reference force, as shown in FIG. The force feedback brake pedal system (100) relies on closed-loop force control to ensure that this reference force is provided to the driver with high fidelity. As a result, the driver senses the force feedback from the total braking force applied to the vehicle, that is, the sum of the forces from friction braking by mechanical coupling and regenerative braking by the brake pedal (10).
物理的車両内に直列弾性アクチュエータを有する前記力フィードバックブレーキペダルシステムと、自転車またはオートバイなどのさまざまな電気車両との統合が利用可能となり、したがって、この実施は役に立つ手段または車両を提供する。 Integration of the force feedback brake pedal system with in-line elastic actuators within the physical vehicle with various electric vehicles such as bicycles or motorcycles is available, and therefore this implementation provides a useful means or vehicle.
コンセプトを実証するための例示的な実験研究
本発明の実験的評価が実行され、力フィードバックブレーキペダルシステム（１００）の性能が評価される。
Illustrative Experimental Study to Demonstrate the Concept Experimental evaluation of the present invention is performed to evaluate the performance of the force feedback brake pedal system (100).
実例の実施では、回生制動の介入下で回復される必要がある従来のブレーキペダルの感覚は、数学的に次のようにモデル化される。
ここで、ｘｐｅｄａｌは、８０ｍｍの最大ストロークを有するペダル変位を示し、Ｆｐｅｄａｌは運転者に作用する合計の力ペダルである。
In the practice of the example, the sensation of a conventional brake pedal that needs to be restored under the intervention of regenerative braking is mathematically modeled as follows.
Here, x pedal indicates a pedal displacement having a maximum stroke of 80 mm, and F pedal is a total force pedal acting on the driver.
この例示の文脈内で、ブレーキペダル変位ｘｐｅｄａｌは、次の関数に従って減速要求ａｄ ｃａｒにマッピングされる。
ここで、ｇは重力加速度をｍ／ｓｅｃ２で表す。
Within the context of this example, the brake pedal displacement x pedal is mapped to the deceleration request ad car according to the following function.
Here, g represents the gravitational acceleration in m / sec 2 .
すべてのグラフで、３つの主要な区分を見つけることができる。
−アイドリング：ペダルの移動量が２０／２５ｍｍまでのグラフの最初の部分であり、この部分では、必要な力フィードバックおよび必要な減速の両方の点でペダルの感覚は「ソフト」である。
−ドージング／ノーマル：ペダルの移動量の２０／２５ｍｍから始まる中心部であり、この部分では、ペダルの挙動感覚が強くなり始める。この区分でブレーキ動作を実行することは非常に一般的である。
−フェージング：ペダルのフィーリングがさらに硬くなる最後の部分である。レースのシナリオ、または複数の連続した緊急制動の後を除いて、この区分にあることはまれである。
In all graphs, three major categories can be found.
-Idling: The first part of the graph where the pedal movement is up to 20 / 25mm, where the pedal feel is "soft" in terms of both the required force feedback and the required deceleration.
-Dosing / Normal: The central part starting from 20/25 mm of the movement amount of the pedal, and in this part, the feeling of pedal behavior begins to become stronger. It is very common to perform a braking operation in this division.
-Fading: This is the last part where the pedal feels even harder. It is rare to be in this category except after a racing scenario or after multiple consecutive emergency brakings.
ブレーキ力配分は、運転者からの減速要求、瞬間的な車両速度、バッテリ充電レベル、および道路状況に基づいて決定される。瞬間的な回生制動力の簡単なモデルは、Ｆｒｅｇ＝Ｐｍ／ｖｃａｒとして採用され、ここで、Ｐｍは電気モータの一定のブレーキ力を表し、ｖｃａｒは車両の瞬間速度である。任意の瞬間の回生制動能力が提供され、簡単にするために路面状態を無視すると、ブレーキ力配分ブロックは、採用される必要がある回生制動および摩擦制動の量を決定する。 Braking force distribution is determined based on the driver's deceleration request, instantaneous vehicle speed, battery charge level, and road conditions. A simple model of instantaneous regenerative braking force is adopted as Freg = P m / v car , where P m represents the constant braking force of the electric motor and v car is the instantaneous speed of the vehicle. When the regenerative braking ability of any moment is provided and the road surface condition is ignored for simplicity, the braking force distribution block determines the amount of regenerative braking and friction braking that needs to be adopted.
高忠実度の力制御性能により、力フィードバックペダルシステム（１００）は、自然なペダル感覚に対する回生制動の寄生効果を補償するために使用され得るばかりでなく、電気自動車およびハイブリッド車のさまざまな車両設定に対して調整可能なブレーキペダル感覚を提供できる。 Due to its high fidelity force control performance, the force feedback pedal system (100) can be used not only to compensate for the parasitic effects of regenerative braking on the natural pedal feel, but also in various vehicle settings for electric and hybrid vehicles. Can provide an adjustable brake pedal feel to the vehicle.
本発明による力フィードバックブレーキペダルシステムは、摩擦制動システムからの力フィードバックをシミュレートするためのトルク制御試験動力計をさらに備えることができる。これにより、本発明は協調制動システムのシミュレータとして実施することが可能になる。 The force feedback brake pedal system according to the present invention may further include a torque control test power meter for simulating force feedback from the friction braking system. This makes it possible to implement the present invention as a simulator of a cooperative braking system.
有利には、ステアリング、スロットル、およびサスペンションの応答に一般的に実施されているように、異なる車両モード（例えば、スポーツまたは快適性など）に一致するようにペダル力フィードバックは調整され得る。ＳＥＡブレーキペダルの主な作動メカニズムおよび寸法は、既存のブレーキペダル（１０）と互換性があるように設計されているので、力フィードバックブレーキペダルシステム（１００）は、最小限の修正で既存の摩擦ブレーキに並列に接続され得る。ブレーキペダルシステム（１００）は、ブレーキバイワイヤ機能を備えた車両で使用可能である。 Advantageously, the pedal force feedback can be adjusted to match different vehicle modes (eg, sports or comfort), as is commonly practiced in steering, throttle, and suspension responses. The main operating mechanism and dimensions of the SEA brake pedal are designed to be compatible with the existing brake pedal (10), so the force feedback brake pedal system (100) has the existing friction with minimal modification. Can be connected in parallel to the brake. The brake pedal system (100) can be used in vehicles with a brake-by-wire function.
１０…ブレーキペダル、１１…シャフト、１２…ベアリング、１３…プーリ、１４…板ばね、２２…リニアエンコーダ、２５…アクチュエータ、３０…セクタプーリ、３５…センサ、４０…位置センサ、４５…エンコーダ、７０…コンプライアント要素の第２の端部、８０…減速要素、９０…十字形屈曲ジョイント、１００…力フィードバックブレーキペダルシステム、１５０…キャプスタントランスミッション、２５０…コンプライアント要素。 10 ... Brake pedal, 11 ... Shaft, 12 ... Bearing, 13 ... Pulley, 14 ... Leaf spring, 22 ... Linear encoder, 25 ... Actuator, 30 ... Sector pulley, 35 ... Sensor, 40 ... Position sensor, 45 ... Encoder, 70 ... Second end of compliant element, 80 ... deceleration element, 90 ... cross flexion joint, 100 ... force feedback brake pedal system, 150 ... capstan transmission, 250 ... compliant element.
Claims (13)
シャフトまたはベアリングの周りに枢動式に取り付けられたブレーキペダルと、
前記電気またはハイブリッド車両の前記回生制動システムおよび前記摩擦制動システムと電気通信する電子回路と、
前記電気またはハイブリッド車両の回生制動および摩擦制動によって力フィードバックを提供するためのアクチュエータであって、前記アクチュエータが、前記ブレーキペダルと機械的に連通している、アクチュエータと、
を備える力フィードバックブレーキペダルシステムにおいて、前記力フィードバックブレーキペダルシステムが、
前記ブレーキペダルと前記アクチュエータとの間に配置されるコンプライアント要素であって、前記コンプライアント要素が、前記アクチュエータと直列である、コンプライアント要素と、
動作中に前記コンプライアント要素の偏向を測定し、データを前記電子回路に送信する線形または回転変位あるいは偏向センサと、
をさらに備えることを特徴とする、力フィードバックブレーキペダルシステム。 A force feedback brake pedal system for braking an electric or hybrid vehicle, wherein the electric or hybrid vehicle has a regenerative braking system and a friction braking system, the force feedback brake pedal system.
With a brake pedal mounted pivotally around the shaft or bearing,
An electronic circuit that telecommunicationss with the regenerative braking system and the friction braking system of the electric or hybrid vehicle.
An actuator for providing force feedback by regenerative braking and friction braking of the electric or hybrid vehicle, wherein the actuator is mechanically communicated with the brake pedal.
In a force feedback brake pedal system comprising, the force feedback brake pedal system
A compliant element arranged between the brake pedal and the actuator, wherein the compliant element is in series with the actuator.
With a linear or rotational displacement or deflection sensor that measures the deflection of the compliant element during operation and sends the data to the electronic circuit.
A force feedback brake pedal system that is further equipped with.
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