JP7452243B2

JP7452243B2 - ステアリングシステム

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Publication number: JP7452243B2
Application number: JP2020089404A
Authority: JP
Inventors: 貴宣永野
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2020-05-22
Filing date: 2020-05-22
Publication date: 2024-03-19
Anticipated expiration: 2040-05-22
Also published as: US20210362775A1; JP2021183447A; CN113696964A; EP3925859A1

Description

本発明は、油圧機構、および電動モータにより転舵力の一部が付与される転舵機構を備えたステアリングシステムにおいて、前記電動モータを制御するモータ制御装置、およびモータ制御装置を備えたステアリングシステムに関する。

従来、特許文献１に記載されるように、電動モータによる電動アシストと油圧機構による油圧アシストの２つのアシスト機構を備えたステアリングシステムが存在する。このステアリングシステムは、例えば、ステアリングホイールなどの操作部材から入力される操舵トルクが小さい場合には、電動モータのみできめ細かに操舵をアシストし、操舵力が大きい場合には、前記電動モータと油圧機構とを併用して操舵をアシストする。

国際公開２０１８／０５５８０３号公報

昨今では自動運転技術を実現するため、運転者の操作に対してアシスト力を付与する電動モータを自動的に制御して運転者のステアリング操作をサポートしたり、自動制御装置がステアリング操作を実行したりする場合がある。

このような自動運転技術を、電動モータと油圧機構とを備えたステアリングシステムに導入しようとした場合、操作部材から転舵機構に至る操舵系に自励振動が発生することを発明者は見出すに至った。

本発明は、上記知見に基づきなされたものであり、自励振動を抑制するモータ制御装置、およびモータ制御装置を備えたステアリングシステムの提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の１つであるモータ制御装置は、転舵輪を転舵させる転舵機構に転舵力の一部を付与する油圧機構と転舵力の他部を付与する電動モータとを備えるステアリングシステムにおいて、前記電動モータを制御するモータ制御装置であって、前記転舵輪の実舵角を取得する実舵角取得部と、前記転舵輪の舵角の目標値である目標舵角を取得する目標舵角取得部と、前記転舵輪の実舵角が前記目標舵角と一致する様に前記電動モータを制御するモータ制御値を生成する制御値生成部と、前記モータ制御値に対して、前記ステアリングシステムの固有振動数をフィルタした指示値を生成する指示値演算部と、を備える。

また、上記目的を達成するために、本発明の他の一つであるステアリングシステムは、転舵輪を転舵させる転舵機構と、前記転舵機構に転舵力の一部を付与する油圧機構と、前記転舵機構に転舵力の他部を付与する電動モータと、前記電動モータを制御するモータ制御装置と、前記電動モータと操作部材との間に介在配置される第一トーションバーと、前記電動モータと前記転舵機構との間に介在配置される第二トーションバーと、を備え、前記モータ制御装置は、前記転舵輪の実舵角を取得する実舵角取得部と、前記転舵輪の舵角の目標値である目標舵角を取得する目標舵角取得部と、前記転舵輪の実舵角が前記目標舵角と一致する様に前記電動モータを制御するモータ制御値を生成する制御値生成部と、前記モータ制御値に対して、前記第一トーションバー、および前記第二トーションバーに基づく固有振動数をフィルタした指示値を生成する指示値演算部と、を備える。

本発明によれば、操舵系における自励振動を抑制することができる。

モータ制御装置を備えるステアリングシステムを模式的に表す図である。モータ制御装置の機能構成を示すブロック図である。ステアリングシステムの操舵系を固有振動数の観点でモデル化した図である。モータ制御装置を備えるステアリングシステムの別例を模式的に表す図である。

以下に、本発明に係るモータ制御装置、およびモータ制御装置を備えたステアリングシステムの実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の位置関係、および接続状態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下では複数の発明を一つの実施の形態として説明する場合があるが、請求項に記載されていない構成要素については、その請求項に係る発明に関しては任意の構成要素であるとして説明している。また、図面は、本発明を説明するために適宜強調や省略、比率の調整を行った模式的な図となっており、実際の形状や位置関係、比率とは異なる場合がある。

図１は、モータ制御装置を備えるステアリングシステムを模式的に表す図である。ステアリングシステム２００は、目標舵角に応じて転舵輪２２０を転舵し、ステアリングシステム２００が搭載される車両の走行方向を操作するシステムである。ステアリングシステム２００は、転舵機構２３０と、油圧機構２４０と、電動モータ１１０と、手動操作装置２１０と、モータ制御装置１００と、を備えている。

転舵機構２３０は、転舵輪２２０を転舵させるための機構である。転舵機構２３０は、特に限定されるものではないが、本実施の形態の場合、ラック・アンド・ピニオンが採用されている。具体的に転舵機構２３０は、ピニオンシャフト２３１と、ラックシャフト２３２と、タイロッド２３３と、を備えている。

ピニオンシャフト２３１は、ラックシャフト２３２に設けられたラックと噛合うピニオンを備えた棒状の部材である。ピニオンシャフト２３１は、モータ制御装置１００に連結されており、モータ制御装置１００からトルクが付与されて回転し、ラックシャフト２３２の軸方向にラックシャフト２３２を移動させる。

ラックシャフト２３２は、外周面の一部にピニオンシャフト２３１と噛み合うラックが設けられ、ピニオンシャフト２３１の回転を、ラックシャフト２３２の軸方向の移動量に変換し、タイロッド２３３を介して転舵輪２２０を旋回させる部材である。ラックシャフト２３２には、油圧機構２４０が接続されており、油圧によって転舵輪２２０を転舵するための転舵力の一部、いわゆるアシスト力が付与される。ラックシャフト２３２は、車体に取り付けられたラックハウジング内に収容され、ラックハウジングによりラックシャフト２３２の移動が案内されている。

油圧機構２４０は、ピニオンシャフト２３１の回転角などに応じて油圧を調整し、ラックシャフト２３２にラックシャフト２３２の軸方向の力を転舵力の一部として付与する。油圧機構２４０は、特に限定されるものではないが、本実施の形態の場合、パワーシリンダ２４１と、ロータリーバルブ２４２と、オイルポンプ２４３と、リザーバタンク２４４とを備えている。

パワーシリンダ２４１は、ピストン２４５によって二つの空間に隔てられたシリンダ２４６を備え、二つの空間のそれぞれに充填された油の油圧が調整されることによりピストン２４５がラックシャフト２３２の軸方向に移動する。ピストン２４５は、ラックシャフト２３２に連結されており、ピストン２４５からラックシャフト２３２に移動方向の力が付与される。

ロータリーバルブ２４２は、ピストン２４５によって隔てられた二つの空間にそれぞれ供給される油圧を調整する装置である。ロータリーバルブ２４２の構造は、特に限定されるものではないが、本実施の形態の場合、ピニオンシャフト２３１とモータ制御装置１００との間に介在配置される第二トーションバー２８２を備えている。ロータリーバルブ２４２は、第二トーションバーの捩れによって生じる内側バルブと外側バルブとの相対移動に応じ、オイルポンプ２４３から圧送される油を、ピストン２４５によって隔てられた二つの空間の一方に供給する量を調整すると共に、他方の空間の余剰油をリザーバタンク２４４に還流する量を調整することにより、ピストン２４５の動作を制御している。

電動モータ１１０は、転舵機構２３０に付与するアシスト力の一部を出力する。電動モータ１１０が発生させた駆動力の転舵機構２３０への伝達態様は特に限定されるものではないが、本実施の形態の場合、電動モータ１１０は、転舵機構２３０のピニオンシャフト２３１に連結される操舵軸体１１１と減速機を介することなく接続され、電動モータ１１０の出力軸の回転を１：１の回転比でピニオンシャフト２３１に伝達している。電動モータ１１０が転舵機構２３０に付与する転舵力であるモータ転舵力は、油圧機構２４０が転舵機構２３０に付与する転舵力である油圧転舵力よりもかなり小さい。例えば、転舵輪２２０を転舵させる力のほとんどは油圧転舵力であり、モータ転舵力は、転舵輪２２０の舵角、および転舵方向を制御するための制御力（制御情報）として転舵機構２３０に伝達される程度である。

手動操作装置２１０は、ステアリングホイール等の操作部材２１１を運転者が操作することにより転舵輪２２０を転舵させることができる装置である。本実施の形態の場合、図１に示すように、手動操作装置２１０は、操作部材２１１と、軸部材２１２と、第一トーションバー２８１と、トルク検出装置２１３と、を備えている。なお、手動操作装置２１０は、さらに、反力装置、目標舵角検出手段などを備えても構わない。

軸部材２１２は、操作部材２１１に機械的に連結され、操作部材２１１の操作に応じて回転する棒状の部材である。軸部材２１２と転舵機構２３０との接続態様は、特に限定されるものではない。本実施の形態の場合、軸部材２１２は、操舵軸体１１１を介してピニオンシャフト２３１に機械的に連結されている。

なお、手動操作装置２１０は、自動運転中においては、クラッチなどを用いて軸部材２１２とピニオンシャフト２３１との機械的連結を切り離してもよく、軸部材２１２と転舵機構２３０とは機械的に連結されていない、いわゆるリンクレス・ステア・バイ・ワイヤシステムであっても構わない。

第一トーションバー２８１は、軸部材２１２に介在配置され、運転者が操作部材２１１を操作することにより入力されるトルクに応じて捩れる部材である。トルク検出装置２１３は、第一トーションバー２８１の捩れ量を検出し、操作トルクを出力する。第一トーションバー２８１、およびトルク検出装置２１３は、例えば自動運転レベル２におけるオーバーライドの検出などに用いられる。

図２は、モータ制御装置の機能構成を示すブロック図である。モータ制御装置１００は、目標舵角に応じて電動モータ１１０を制御する装置であり、ＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）の１つである。モータ制御装置１００は、プログラムを実行することにより実現する処理部として、実舵角取得部１３４と、目標舵角取得部１３１と、制御値生成部１３２と、指示値演算部１３３と、を備えている。本実施の形態の場合、モータ制御装置１００は、処理部としてフィルタ情報取得部１３５をさらに備えている。

実舵角取得部１３４、転舵輪２２０の実舵角を取得する。本実施の形態の場合、実舵角取得部１３４は、転舵輪２２０や転舵輪２２０を転舵するリンク機構などに取り付けられたセンサが出力した信号に基づき実舵角を取得する。

目標舵角取得部１３１は、転舵輪２２０を転舵するための目標舵角を取得する。本実施の形態の場合、目標舵角取得部１３１は、自動運転を実行するためにステアリングシステム２００を制御する自動制御装置２５０から目標舵角を取得する。

なお、手動操作装置２１０が、目標舵角検出手段を備えてもよい。目標舵角検出手段は、操作部材２１１の回転角を検出し目標舵角として出力する装置である。例えば、目標舵角検出手段は、軸部材２１２の回転を操作部材２１１の回転として検出している。目標舵角検出手段の種類は、特に限定されるものではないが、例えば電動モータ１１０に取り付けられるレゾルバ、ロータリーエンコーダ、軸部材２１２と共に回転する主歯車と、主歯車に噛み合う径の異なる二つの従動歯車とを備え、従動歯車にそれぞれ備えられた永久磁石の回転をホール素子などで検出することにより出力軸の回転角度ばかりでなく回転方向も検出できる装置などを例示できる。

自動制御装置２５０は、ステアリングシステム２００が搭載されている車両を自動運転するためのＥＣＵの１つである。本実施の形態の場合、自動制御装置２５０は、車両外部の障害物、白線、信号などに関する情報を、例えばカメラ２５１、レーザーライダー２５２などのセンサから取得し、取得した情報に基づき自動運転に対応した目標舵角を逐次生成して目標舵角取得部１３１に出力する。

制御値生成部１３２は、目標舵角取得部１３１が取得した目標舵角、および実舵角取得部１３４が取得した実舵角に基づき実際の転舵輪２２０の実舵角が目標舵角に一致する様に電動モータ１１０を制御する。本実施の形態の場合、電動モータ１１０は、複数のスイッチング素子を備えたＰＷＭインバータ２６０によって電力が供給されている。制御値生成部１３２は、目標舵角と実舵角との差に応じて、電動モータ１１０を制御する目標トルクをモータ制御値として生成する。目標トルクの生成は、一般的には、ＰＩＤ制御が用いられる。具体的には、目標舵角と実舵角との差の項、当該差の積分項および当該差の微分項にそれぞれ比例ゲイン、積分ゲインおよび微分ゲインが乗算された後、それらの項が加算されることにより目標トルクがモータ制御値として演算される。

指示値演算部１３３は、制御値生成部１３２が生成したモータ制御値に対して、ステアリングシステム２００の固有振動数をフィルタした指示値を生成する。本実施の形態の場合、ステアリングシステム２００の固有振動数は、例えば図３に示すモデルによって模式的に示すことができる。図３は、運転者が操作部材２１１をロックした状態において、第一トーションバー２８１と第二トーションバー２８２との間に配置される電動モータ１１０のモータ軸、操舵軸体１１１などの質量に基づく慣性、第二トーションバー２８２に連結される油圧機構２４０のガタに基づき発生する慣性などによりステアリングシステム２００の固有振動数が決定されることを模式的に示している。

本実施の形態の場合、指示値演算部１３３は、制御値生成部１３２から取得したモータ制御値を入力とするローパスフィルタに基づき演算し指示値を出力する。ローパスフィルタは、ステアリングシステム２００の操舵系の固有振動数より低い振動数のみを出力する。例えばローパスフィルタの１つとして、遅れ系の伝達関数を例示することができる。具体的に１次遅れ系のモデルとして下記の式１
Ｇ（ｓ）＝１／（１＋Ｔｓ）・・・式１
を示すことができる。

指示値演算部１３３は、ローパスフィルタを通過したモータ制御値である指示値を電流指令値に変換し、ＰＷＭインバータ２６０に出力する。

フィルタ情報取得部１３５は、ステアリングシステム２００の固有振動数を解析的、または実測により求めて得られたフィルタに関するフィルタ情報を取得する。例えば、ステアリングシステム２００の固有振動数を解析的に導出するには、第一トーションバー２８１のばね定数、および第二トーションバー２８２のばね定数、第一トーションバー２８１と第二トーションバー２８２との間に連結される部材の慣性モーメント、第二トーションバー２８２の先に連結される油圧機構２４０に基づく慣性モーメントを設定して導出してもよい。また、固有振動数は、シミュレーションによって導出しても構わない。また、実測としては、電動モータ１１０から周波数ｆ＝１～２００ＨｚのＱ軸電流を発生させ、Ｑ軸指示電流－実トルクの関係からゲインがピークになる位置をステアリングシステム２００の固有振動数としてもよい。フィルタ情報取得部１３５は、得られた固有振動数に基づき導出された時定数Ｔをモデル情報として取得して記憶し、指示値演算部１３３に出力する。

フィルタ情報取得部１３５が取得した時定数Ｔをフィルタ情報取得部１３５に入力するモータ制御装置１００によれば、固有振動数が異なる種類のステアリングシステム２００でも、それぞれのＴを導出してモータ制御装置１００に入力することで、種類の異なるステアリングシステム２００にそれぞれ搭載するモータ制御装置１００を共通化することができる。

以上のモータ制御装置１００を備えたステアリングシステム２００によれば、操舵系における自励振動を抑制することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、本明細書において記載した構成要素を任意に組み合わせて、また、構成要素のいくつかを除外して実現される別の実施の形態を本発明の実施の形態としてもよい。また、上記実施の形態に対して本発明の主旨、すなわち、請求の範囲に記載される文言が示す意味を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例も本発明に含まれる。

例えば、ステアリングシステム２００は、図４に示すように、手動操作装置２１０と、転舵機構２３０とが機械的に接続されず、手動操作装置２１０が備える目標舵角検出装置２１４から出力される目標舵角に基づきモータ制御装置１００が電動モータ１１０を制御し転舵輪２２０を転舵させるリンクレス・ステア・バイ・ワイヤシステムでも構わない。

また、制御値生成部１３２は、モータ制御値として目標トルクを算出したが、制御値生成部１３２は、算出した目標トルクを目標電流に変換し、目標電流をモータ制御値として出力しても構わない。この場合、指示値演算部１３３は、目標電流にローパスフィルタをかけて指示値を電動モータ１１０に出力しても構わない。

また、指示値演算部１３３が、制御値生成部１３２が生成したモータ制御値に対して、ステアリングシステム２００の固有振動数をフィルタした指示値を生成する場合を説明した。しかし、指示値演算部１３３が目標舵角と実舵角との差の固有振動数情報を取得し、
制御値生成部132内で目標舵角と実舵角との差に対し、目標舵角と実舵角との差の固有振動数情報を考慮したフィルタを掛けてから、ＰＩＤ制御により目標電流を求めてもよい。

また、指示値演算部１３３が、制御値生成部１３２から取得したモータ制御値を入力とするローパスフィルタに基づき演算し指示値を出力し、この指示値を電流指令値に変換し、ＰＷＭインバータ２６０に出力する場合を説明した。しかし、指示値演算部１３３が、制御値生成部１３２から取得したモータ制御値を電流値に変換し、この電流指令値を入力とするローパスフィルタに基づき演算し電流指令値を出力し、この電流指令値をＰＷＭインバータ２６０に出力してもよい。

本発明は、車両、特に、転舵輪の転舵に大きな力が必要な、大型車両、農業用車両、建設用車両などに利用可能である。

１００…モータ制御装置、１１０…電動モータ、１１１…操舵軸体、１３１…目標舵角取得部、１３２…制御値生成部、１３３…指示値演算部、１３４…実舵角取得部、１３５…フィルタ情報取得部、２００…ステアリングシステム、２１０…手動操作装置、２１１…操作部材、２１２…軸部材、２１３…トルク検出装置、２１４…目標舵角検出装置、２２０…転舵輪、２３０…転舵機構、２３１…ピニオンシャフト、２３２…ラックシャフト、２３３…タイロッド、２４０…油圧機構、２４１…パワーシリンダ、２４２…ロータリーバルブ、２４３…オイルポンプ、２４４…リザーバタンク、２４５…ピストン、２４６…シリンダ、２５０…自動制御装置、２５１…カメラ、２５２…レーザーライダー、２６０…インバータ、２８１…第一トーションバー、２８２…第二トーションバー

Claims

転舵輪を転舵させる転舵機構と、
前記転舵機構に転舵力の一部を付与する油圧機構と、
前記転舵機構に転舵力の他部を付与する電動モータと、
前記電動モータを制御するモータ制御装置と、
前記電動モータと操作部材との間に介在配置される第一トーションバーと、
前記電動モータと前記転舵機構との間に介在配置される第二トーションバーと、を備え、
前記モータ制御装置は、
前記転舵輪の実舵角を取得する実舵角取得部と、
前記転舵輪の舵角の目標値である目標舵角を取得する目標舵角取得部と、
前記転舵輪の実舵角が前記目標舵角と一致する様に前記電動モータを制御するモータ制御値を生成する制御値生成部と、
前記モータ制御値に対して、前記第一トーションバー、および前記第二トーションバーに基づく固有振動数をフィルタした指示値を生成する指示値演算部と、
を備えるステアリングシステム。
前記指示値演算部は、遅れ系の伝達関数からなるローパスフィルタに基づき演算する
請求項１に記載のステアリングシステム。
前記ステアリングシステムの固有振動数を解析的、または実測により求めて得られたフィルタに関するフィルタ情報を取得して前記指示値演算部に出力するフィルタ情報取得部を備える
請求項１または２に記載のステアリングシステム。