JP3837317B2 - 車両用操舵装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ステアリングホイールなどの操作部材の操作に基づいて、この操作部材に対して機械的な結合を持たない舵取り機構を駆動して舵取り車輪を転舵させる構成の車両用操舵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ステアリングホイールと舵取り車輪を転舵するための舵取り機構との機械的な結合をなくし、ステアリングホイールの操作方向および操作量を検出するとともに、その検出結果に基づいて、舵取り機構に電動モータなどの操舵アクチュエータからの駆動力を与えるようにした車両用操舵装置（いわゆるステア・バイ・ワイヤ・システム）が提案されている。
【０００３】
このような構成を採用することにより、車両の走行状況などに応じて、ステアリングホイールの回転量と舵取り車輪の転舵量との比（ギヤ比）を自由に変更することができ、車両の運動性能の向上を図ることができる。また、上記のような構成には、衝突時におけるステアリングホイールの突き上げを防止できるという利点や、ステアリングホイールの配設位置の自由度が増すという利点もある。
図２は、ステア・バイ・ワイヤシステムの電気的構成を示すブロック図である。ステアリングホイールの操作方向および操作量等の検出信号は、主制御電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０１に入力される。舵取り機構には、主操舵モータ１０５および副操舵モータ１０６が結合されており、ステアリングホイールには、反力モータ１０７が結合されている。主操舵モータ１０５および副操舵モータ１０６は、いずれも、舵取り機構に駆動力を与えて舵取り車輪の転舵を起こさせるためのものであるが、副操舵モータ１０６は、主操舵モータ１０５やその制御系等に異常が生じた場合に、舵取り機構に駆動力を与えるように動作する。また、反力モータ１０７は、路面反力に対応した反力をステアリングホイールに与える。
【０００４】
主操舵モータ１０５は、主操舵電子制御ユニット１０２によって駆動制御される。具体的には、主操舵電子制御ユニット１０２は、主操舵モータ１０５に駆動電流を与える主操舵駆動部１０８と、この主操舵駆動部１０８を制御する主操舵制御部１１１とを有している。
副操舵モータ１０６は、副操舵電子制御ユニット１０３によって駆動制御される。具体的には、副操舵電子制御ユニット１０３は、副操舵モータ１０６に駆動電流を与える副操舵駆動部１０９と、この副操舵駆動部１０９を制御する副操舵制御部１１２とを有する。
【０００５】
反力モータ１０７も同様に、反力電子制御ユニット１０４によって駆動制御されるようになっていて、反力電子制御ユニット１０４は、反力モータ１０７に駆動電流を与える反力駆動部１１０と、この反力駆動部を制御する反力制御部１１３とを有している。
主操舵駆動部１０８、副操舵駆動部１０９および反力駆動部１１０は、パワー素子を含むドライバ回路であり、主操舵制御部１１１、副操舵制御部１１２および反力制御部１１３は、電流フィードバック制御のための制御指令をそれぞれ出力する。そして、これらの主操舵制御部１１１、副操舵制御部１１２および反力制御部１１３が、主制御電子制御ユニット１０１によって統合制御されるようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の構成では、４つの電子制御ユニット１０１〜１０４とこれらの間での信号の受け渡しのためのハーネスとが必要であるため、構成が複雑であり、コスト高となっていた。
また、電子制御ユニットの数およびハーネスの数が多いため、多種多様な故障モードを考慮してシステム全体の設計を行う必要があり、このことがシステムの設計を困難にし、かつ、コスト高の別の要因となっていた。
【０００７】
一方、主操舵モータ１０５、副操舵モータ１０６および反力モータ１０７の制御に必要なセンサ信号は、主制御電子制御ユニット１０１に入力されるようになっている。そして、主制御電子制御ユニット１０１の故障時には、その電源が遮断されるとともに、センサ信号は、主操舵電子制御ユニット１０２等に与えられるようになっている。
しかし、主操舵電子制御ユニット１０２は、電流フィードバック制御等の基本的な制御を行うのみであるから、必ずしも適切に舵取り機構を制御できるわけではない。したがって、制御機能に制限がある。
【０００８】
また、主操舵電子制御ユニット１０２は、主操舵モータ１０５に大電流を供給する働きを有するため故障が生じやすく、この主操舵電子制御ユニット１０２に故障が生じれば、副操舵電子制御ユニット１０３によって制御される副操舵モータ１０６によって舵取り機構が駆動されることになる。しかし、副操舵モータ１０６は、通常、主操舵モータ１０５よりも機能的に劣っているため、機能制限が生じることは免れない。とくに、主制御電子制御ユニット１０１および主操舵電子制御ユニット１０２に故障が生じたときには、大きな機能制限を受けることになる。
【０００９】
さらに、故障発生時における主制御電子制御ユニット１０１の電源の遮断は、自らの処理によって行うようになっていて、主操舵電子制御ユニット１０２または副操舵電子制御ユニット１０３からは、主制御電子制御ユニット１０１の電源を遮断できない。そのため、主制御電子制御ユニット１０１が暴走し、その電源が遮断されない場合には、主操舵モータ１０５が意図しない動作を起こすおそれがある。
【００１０】
そこで、この発明の目的は、上述の技術的課題を解決し、主制御部に故障が生じても舵取り機構の制御を安定して行える車両用操舵装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、車両の操向のための操作部材（３０）と、この操作部材とは機械的に非連結状態で設けられて、舵取り車輪を転舵させるための舵取り機構（１０）と、上記舵取り機構に駆動力を与える主操舵アクチュエータ（５１Ｍ）と、上記操作部材に路面反力に対応した反力を与える反力アクチュエータ（４０）と、上記主操舵アクチュエータを含む主操舵駆動系（５０Ｍ）の故障時に上記舵取り機構に駆動力を与える副操舵アクチュエータ（５１Ｓ）と、上記主操舵アクチュエータをフィードバック制御するための主操舵制御部（６１Ｍ）と、上記反力アクチュエータをフィードバック制御するための反力制御部（４５）と、上記副操舵アクチュエータをフィードバック制御するための副操舵制御部（６１Ｓ）と、センサ類（４１，４２，５２Ｍ，５２Ｓ，１５，７０）からの入力信号に基づいて、上記主操舵制御部、反力制御部および副操舵制御部における各フィードバック制御に必要な処理を含む統括制御を行うための第１の主制御部（８１）と、上記センサ類からの入力信号に基づいて、上記主操舵制御部、反力制御部および副操舵制御部における各フィードバック制御に必要な処理を含む統括制御を行うための第２の主制御部（８２）とを含み、上記主操舵制御部、反力制御部および副操舵制御部は、上記第１の主制御部および第２の主制御部のうちのいずれか一方によって統括制御されるようになっており、上記第１の主制御部および上記主操舵制御部が第１の電子制御ユニット（Ｕ１）に統合されており、上記第２の主制御部および上記反力制御部が、上記第１の電子制御ユニットとの間で異常発生の相互監視を行う第２の電子制御ユニット（Ｕ２）に統合されており、上記副操舵制御部は、第３の電子制御ユニット（Ｕ３）に備えられていることを特徴とする車両用操舵装置である。なお、括弧内の英数字は後述の実施形態における対応構成要素等を表す。以下、この項において同じ。
【００１２】
上記の構成によれば、第１の電子制御ユニットに第１の主制御部および主操舵制御部が統合されており、第２の電子制御ユニットに第２の主制御部および反力制御部が統合されている。そして、第１および第２の電子制御ユニットは、相互に異常発生を監視している。これにより、たとえば、一方の電子制御ユニットの主制御部に異常が生じたとしても、他方の電子制御ユニットの主制御部によって、主操舵制御部および反力制御部を統括制御することができる。したがって、一方の主制御部に故障が生じても、機能制限が生じることはなく、舵取り機構の制御を安定して行える。
【００１３】
また、第１の主制御部および主操舵制御部を第１の電子制御ユニットに統合し、第２の主制御部および反力制御部を第２の電子制御ユニットに統合したことによって、電子制御ユニットの数を少なくすることができる。これに応じて、電子制御ユニット間のハーネスを減少させることができ、故障モードを少なくすることができる。これにより、構成が簡素化されるとともに、コストの低減に寄与することができる。
【００１４】
また、第１の電子制御ユニットにおいて、第１の主制御部と主操舵制御部との間で異常発生の相互監視を行うようにすることができる。これにより、第１の主制御部に異常が発生したときには、たとえば、異常発生直前と同じ制御指令値に基づいて主操舵アクチュエータを駆動するなどして、舵取り機構の意図しない動作を回避できる。第２の電子制御ユニットに関しても同様である。
また、第１の電子制御ユニットにおいて、第１の主制御部に故障が生じたときには、その少なくとも一部の機能を主操舵制御部によって代替することが可能になる。これにより、第１の主制御部に異常が生じても、第１の電子制御ユニットの電源を遮断する必要がないから、第１の主制御部から他の制御部へと与えられるセンサ信号等のレベルに急変が生じることがなく、異常な制御が行われることがない。
【００１５】
第１および第２の主制御部の両方に故障が生じたときには、主操舵制御部および反力制御部によって、限定的な制御を行えばよい。
【００１６】
また、この発明では、主操舵駆動系の故障時には、副操舵アクチュエータによって舵取り機構に駆動力が与えられる。この場合に、第１および第２の主制御部のいずれかにおいて同時に故障が生じていても、副操舵制御部は、いずれかの正常な主制御部の統括制御を受けつつ副操舵アクチュエータを制御できる。したがって、機能制限が少なく、舵取り機構を良好に制御できる。
第３の電子制御ユニットは、第１および第２の電子制御ユニットにおける異常発生を監視していてもよい。そして、たとえば、第１および第２の主制御部の両方が故障し、さらに主操舵駆動系にも同時に故障が生じたときには、副操舵制御部が、単独で、副操舵アクチュエータを制御して舵取り機構を駆動することとすればよい。これにより、車両用操舵装置の安全性を向上できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る車両用操舵装置の基本的な構成を説明するための概念図である。この車両用操舵装置は、一対の舵取り車輪（通常は前輪）Ｗ，Ｗに舵取り動作を行わせるための舵取り機構１０と、この舵取り機構１０に対して機械的な結合のない状態で設けられたステアリングホイール３０とを備えている。
【００１８】
この車両用操舵装置は、舵取り機構１０を駆動するための操舵駆動系が、主操舵駆動系５０Ｍと副操舵駆動系５０Ｓとの二重系とされている。主操舵駆動系５０Ｍは、主操舵アクチュエータ５１Ｍと、この主操舵アクチュエータ５１Ｍの回転角を検出するための主回転角センサ５２Ｍとを含む。一方、副操舵駆動系５０Ｓは、副操舵アクチュエータ５１Ｓと、この副操舵アクチュエータ５１Ｓの回転角を検出するための副回転角センサ５２Ｓとを含む。主操舵アクチュエータ５１Ｍおよび副操舵アクチュエータ５１Ｓは、たとえば、いずれも電動モータで構成されている。
【００１９】
舵取り機構１０は、車体の左右方向に延びて配置された操舵軸１１と、この操舵軸１１の両端部にタイロッド１２，１２を介して結合され、舵取り車輪Ｗ，Ｗを支持するナックルアーム１３，１３とを有している。操舵軸１１は、ハウジング１４に支承されて軸方向に摺動可能にされており、その途中部に、主操舵アクチュエータ５１Ｍが同軸的に組み込まれている。
また、操舵軸１１の一部には、ラックギヤ１１ａが形成されており、このラックギヤ１１ａには、シャフト２１の先端のピニオンギヤ２２が噛合している。シャフト２１には、副操舵アクチュエータ５１Ｓが結合されており、副操舵アクチュエータ５１Ｓが発生する駆動力がシャフト２１に入力されるようになっている。
【００２０】
この構成により、主操舵アクチュエータ５１Ｍが駆動されると、主操舵アクチュエータ５１Ｍの回転がボールねじなどからなる運動変換機構によって操舵軸１１の摺動に変換され、この操舵軸１１の摺動により舵取り車輪Ｗ，Ｗの操舵が達成される。また、副操舵アクチュエータ５１Ｓが駆動されると、副操舵アクチュエータ５１Ｓによるシャフト２１の回転がピニオンギヤ２２およびラックギヤ１１ａによって操舵軸１１の摺動に変換され、この操舵軸１１の摺動により舵取り車輪Ｗ，Ｗの操舵が達成される。
【００２１】
ステアリングホイール３０には、このステアリングホイール３０に対して路面反力に相当する反力を付与するための反力アクチュエータ４０が結合されている。
反力アクチュエータ４０は、ステアリングホイール３０に結合されたシャフト２３を回転軸とする電動モータ（たとえば、三相ブラシレスモータ）で構成されており、そのケーシングが車体の適所に固定されている。反力アクチュエータ４０には、ステアリングホイール３０から入力される操舵トルクを検出するためのトルクセンサ４１と、ステアリングホイール３０の操作角を検出するための操作角センサ４２とが付設されている。
【００２２】
反力アクチュエータ４０、主操舵アクチュエータ５１Ｍおよび副操舵アクチュエータ５１Ｓには、駆動回路４３，５３Ｍ，５３Ｓから、駆動電流が供給されるようになっている。
トルクセンサ４１、操作角センサ４２、主回転角センサ５２Ｍ、副回転角センサ５２Ｓの検出信号は、第１および第２の電子制御ユニット（ＥＣＵ）Ｕ１，Ｕ２に共通に入力されている。また、操舵軸１１に関連して、この操舵軸１１の軸方向位置を検出するための転舵位置センサ１５が設けられており、この転舵位置センサ１５の検出信号も第１および第２の電子制御ユニットＵ１，Ｕ２に共通に入力されるようになっている。第１および第２の電子制御ユニットＵ１，Ｕ２には、さらに、車速を検出するための車速センサ７０の検出信号が共通に入力されるようになっている。この車速センサ７０は、たとえば、車輪の回転速度を検出する車輪速センサによって構成することができる。
【００２３】
第１の電子制御ユニットＵ１は、主操舵アクチュエータ５１Ｍのための駆動回路（主操舵駆動回路）５３Ｍに制御信号を与えて主操舵アクチュエータ５１Ｍを電流フィードバック制御するための主操舵制御部６１Ｍと、全体を統括制御するための第１の主制御部８１とをユニット内に有している。これにより、電子制御ユニットの数が少なくされ、それに応じてハーネスの数が少なくなっている。これにより、コストを低減できるうえ、ハーネスの断線故障等の故障モードの数を少なくすることができる。
【００２４】
主操舵制御部６１Ｍおよび第１の主制御部８１は、それぞれＣＰＵ（中央処理装置）を備えていて、互いの動作を監視している。そして、いずれか一方の制御部の動作に異常が生じたときには、正常な他方の制御部により、当該異常が生じた制御部の動作が引き継がれるようになっている。したがって、たとえば、第１の主制御部８１に異常が生じても、第１の電子制御ユニットＵ１の電源を遮断したりする必要がない。
【００２５】
第２の電子制御ユニットＵ２は、反力アクチュエータ４０のための駆動回路（反力駆動回路）４３に制御信号を与えて反力アクチュエータ４０を電流フィードバック制御するための反力制御部４５と、全体を統括制御するための第２の主制御部８２とをユニット内に有している。これにより、電子制御ユニットの数およびハーネスの数が少なくされて、コストの低減および故障モードの数の減少が図られている。
【００２６】
反力制御部４５および第２の主制御部８２は、それぞれＣＰＵを備えていて、互いの動作を監視している。そして、いずれか一方の制御部の動作に異常が生じたときには、正常な他方の制御部により、当該異常が生じた制御部の動作が引き継がれるようになっている。したがって、たとえば、第２の主制御部８１に異常が生じても、第２の電子制御ユニットＵ２の電源を遮断したりする必要がない。副操舵アクチュエータ５１Ｓを電流フィードバック制御するために、第３の電子制御ユニットＵ３が設けられている。この第３の電子制御ユニットＵ３は、副操舵アクチュエータ５１Ｓのための駆動回路（副操舵駆動回路）５３Ｓと、この副操舵駆動回路５３Ｓに制御信号を与えて副操舵アクチュエータ５１Ｓを電流フィードバック制御するための副操舵制御部６１Ｓとをユニット内に有している。副操舵制御部６１Ｓは、ＣＰＵを含む。
【００２７】
第１および第２の主制御部８１，８２は、それぞれ、上記センサ類４１，４２，５２Ｍ，５２Ｓ，１５，７０からの入力信号に基づいて、主操舵制御部６１Ｍ、副操舵制御部６１Ｓおよび反力制御部４５における各電流フィードバック制御に必要な処理を含む統括制御を実行することができる。主操舵制御部６１Ｍ、副操舵制御部６１Ｓおよび反力制御部４５は、第１および第２の主制御部８１，８２のいずれか一方によって統括制御される。
第１および第２の電子制御ユニットＵ１，Ｕ２は、互いの動作を監視していて、第１および第２の主制御部８１，８２のうちの一方に異常が生じたときには、正常な他方の主制御部によって、主操舵制御部６１Ｍ、副操舵制御部６１Ｓおよび反力制御部４５の統括制御を行う。したがって、一方の主制御部に異常が生じた場合でも、機能制限を受けることなく、舵取り機構１０を良好に制御することができる。
【００２８】
第１および第２の主制御部８１，８２の両方に異常が生じたときには、このことは、主操舵制御部６１Ｍおよび反力制御部４５によってそれぞれ検出される。そして、主操舵制御部６１Ｍおよび反力制御部４５は、第１または第２の主制御部８１，８２に依存することなく、独立して、主操舵アクチュエータ５１Ｍおよび反力アクチュエータ４０の制御を行うことになる。たとえば、異常発生直前における制御指令を維持することとすれば、第１または第２の主制御部８１，８２からの異常な信号に起因する舵取り機構１０の意図しない動作を防止できる。
【００２９】
第３の電子制御ユニットＵ３は、第１および第２の電子制御ユニットＵ１，Ｕ２における第１および第２の主制御部８１，８２の動作を監視している。そして、主操舵制御部６１Ｍ、主操舵駆動回路５３Ｍおよび主操舵アクチュエータ５１Ｍのいずれかに異常が発生すると（すなわち、主操舵駆動系５０Ｍに異常が発生すると）、第１または第２の主制御部８１，８２（すなわち、第１および第２の主制御部８１，８２のうちのいずれか一方）による統括制御を受けつつ、副操舵アクチュエータ５１Ｓを駆動制御する。したがって、機能制限の少ない制御が可能である。
【００３０】
主操舵駆動系５０Ｍに故障が生じているときに、第１および第２の主制御部８１，８２の両方に異常が発生したときには、副操舵制御部６１Ｓは、これらに依存することなく、副操舵アクチュエータ５１Ｓの制御を行う。
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明は他の形態で実施することもできる。たとえば、主操舵駆動回路５３Ｍを第１の電子制御ユニットＵ１に統合したり、主操舵アクチュエータ５１Ｍに一体化したりして、ハーネスの減少を図ることができる。同様に、反力駆動回路４３を第２の電子制御ユニットＵ２に統合したり、反力アクチュエータ４０に一体化したりしてもよい。また、第３の電子制御ユニットＵ３を副操舵アクチュエータ５１Ｓに一体化してもよい。
【００３１】
また、上述の実施形態では、操作部材としてステアリングホイール３０が用いられる例について説明したが、この他にも、レバーなどの他の操作部材が用いられてもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係る車両用操舵装置の構成を説明するための概念図である。
【図２】従来技術に係る車両用操舵装置の構成を説明するためのブロック図である。
【符号の説明】
１０ 舵取り機構
３０ ステアリングホイール
４０ 反力アクチュエータ
４３ 反力駆動回路
４５ 反力制御部
５０Ｍ 主操舵駆動系
５０Ｓ 副操舵駆動系
５１Ｍ 主操舵アクチュエータ
５１Ｓ 副操舵アクチュエータ
５３Ｍ 主操舵駆動回路
５３Ｓ 副操舵駆動回路
６１Ｍ 主操舵制御部
６１Ｓ 副操舵制御部
８１ 第１の主制御部
８２ 第２の主制御部
Ｕ１ 第１の電子制御ユニット
Ｕ２ 第２の電子制御ユニット
Ｕ３ 第３の電子制御ユニット
Ｗ 舵取り車輪

Claims (1)

1. 車両の操向のための操作部材と、
   この操作部材とは機械的に非連結状態で設けられて、舵取り車輪を転舵させるための舵取り機構と、
   上記舵取り機構に駆動力を与える主操舵アクチュエータと、
   上記操作部材に路面反力に対応した反力を与える反力アクチュエータと、
   上記主操舵アクチュエータを含む主操舵駆動系の故障時に上記舵取り機構に駆動力を与える副操舵アクチュエータと、
   上記主操舵アクチュエータをフィードバック制御するための主操舵制御部と、
   上記反力アクチュエータをフィードバック制御するための反力制御部と、
   上記副操舵アクチュエータをフィードバック制御するための副操舵制御部と、
   センサ類からの入力信号に基づいて、上記主操舵制御部、反力制御部および副操舵制御部における各フィードバック制御に必要な処理を含む統括制御を行うための第１の主制御部と、
   上記センサ類からの入力信号に基づいて、上記主操舵制御部、反力制御部および副操舵制御部における各フィードバック制御に必要な処理を含む統括制御を行うための第２の主制御部とを含み、
   上記主操舵制御部、反力制御部および副操舵制御部は、上記第１の主制御部および第２の主制御部のうちのいずれか一方によって統括制御されるようになっており、
   上記第１の主制御部および上記主操舵制御部が第１の電子制御ユニットに統合されており、
   上記第２の主制御部および上記反力制御部が、上記第１の電子制御ユニットとの間で異常発生の相互監視を行う第２の電子制御ユニットに統合されており、
   上記副操舵制御部は、第３の電子制御ユニットに備えられていることを特徴とする車両用操舵装置。

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