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JP4294573B2 - 操舵装置 - Google Patents

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JP4294573B2
JP4294573B2 JP2004319289A JP2004319289A JP4294573B2 JP 4294573 B2 JP4294573 B2 JP 4294573B2 JP 2004319289 A JP2004319289 A JP 2004319289A JP 2004319289 A JP2004319289 A JP 2004319289A JP 4294573 B2 JP4294573 B2 JP 4294573B2
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Description

この発明は、運転者が操作を行う操作子と転舵される転舵輪とが機械的に連結されていない操舵装置に関するものである。
運転者が操作するステアリングホイール(操作子)と転舵輪とが機械的に連結されていない、所謂、SBW(Steer By Wire)式の操舵装置においては、ステアリングモータによって転舵輪を転舵させ、反力モータによって操作子に反力を付与しており、これらモータを独立に制御することによって、操作子の操舵入力に対する転舵輪の転舵角の比を車速によって変化させるなどして、車両の挙動安定に大きく寄与させている。
このSBW式操舵装置では、転舵輪を転舵するのはステアリングモータの駆動力だけであり、運転者が操作子に入力する操作力は加わらないので、SBW式操舵装置のステアリングモータには、操作子と転舵輪とが機械的に連結されている操舵装置(以下、電動パワーステアリングと称す)に使用されるステアリングモータよりも大きな出力が必要になる。
したがって、同一運転状況下で比較しても、SBW式操舵装置では、ステアリングモータおよびその駆動を制御するパワードライブユニットにおける発熱が、電動パワーステアリングの場合よりも大きくなる。そのため、例えば極低速での据え切りのように転舵系に大きな負荷がかかる状況では、操舵システムの発熱を抑制する必要がある。
特許文献1には、反力モータの温度が所定温度以上になったときに反力モータに供給する電力を低減する技術が開示されている。
特開2004−194385号公報
しかしながら、特許文献1のように反力モータの温度が所定温度以上になったときに反力モータに供給する電力を低減すると、反力モータの温度上昇を抑制することはできるが、反力が小さくなるため、運転者は操作子の操舵入力を増やし易くなり、その結果、ステアリングモータに対する負荷を増大させてしまい、ステアリングモータの発熱を助長するという問題がある。なお、SBW式操舵装置では、一般的に、ステアリングモータは反力モータよりも大きな出力を必要とされる。
そこで、この発明は、操舵システムの温度上昇を確実に抑制することができる操舵装置を提供するものである。
上記課題を解決するために、請求項1に係る発明は、運転者により操作される操作子(例えば、後述する実施例におけるステアリングホイール11)と、前記操作子に入力される操舵入力を検出する操舵入力検出手段(例えば、後述する実施例における操舵角センサ13)と、前記操作子とは機械的に分離された転舵輪(例えば、後述する実施例における車輪21)を転舵する転舵アクチュエータ(例えば、後述する実施例におけるステアリングモータ25)と、前記操作子に反力を付与する反力アクチュエータ(例えば、後述する実施例における反力モータ12)と、前記転舵アクチュエータおよび前記反力アクチュエータを制御する制御手段(例えば、後述する実施例におけるECU40)と、を備えた操舵装置(例えば、後述する実施例における操舵装置1)において、前記転舵アクチュエータの温度または前記反力アクチュエータの温度またはこれらの温度に関与する構成部材(例えば、後述する実施例における反力モータパワードライブユニット16、ステアリングモータパワードライブユニット28)の温度を検出する温度検出手段(例えば、後述する実施例におけるECU40)を備え、前記制御手段は、操舵入力検出手段により検出された操舵入力に応じて前記転舵アクチュエータを制御するとともに、前記温度検出手段で検出された温度が第1の所定値を越えたときには、前記操作子に付与される反力を前記温度が前記第1の所定値以下のときよりも大きくするように前記反力モータを制御する第1の温度上昇抑制制御を行い、前記温度が前記第1の所定値よりも大きい第2の所定値を越えたときには、前記第1の温度上昇抑制制御を継続しつつ、前記操舵入力に対する前記転舵角の比率を前記温度が前記第2の所定値以下のときよりも小さくするように前記転舵アクチュエータを制御する第2の温度上昇抑制制御を行うことを特徴とする。
このように構成することにより、初めに第1の温度上昇抑制制御を行って操作子に付与する反力を大きくすることにより、運転者による過度な速い操舵を抑制し、結果的に転舵アクチュエータの負荷の増大を抑制することができる。そして、第1の温度上昇抑制制御を行っても温度検出手段で検出される温度が下がらないときには、第1の温度上昇抑制制御を継続しつつ、第2の温度上昇抑制制御を行って操舵入力に対する前記転舵角の比率を小さくすることにより、転舵アクチュエータの負荷を低減することができる。
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の発明において、前記操作子と前記転舵輪とを機械的に連結および切断可能にする接続手段(例えば、後述する実施例におけるクラッチ30)を備え、前記温度検出手段で検出された温度が、前記第2の所定値よりも大きい第3の所定値以上のときは、前記接続手段を連結することを特徴とする。
このように構成することにより、接続手段を連結することで、運転者によって操作子に入力される操舵力を、駆動輪を転舵させる駆動力として利用することができ、その結果、転舵アクチュエータの負荷を低減することができる。
請求項1に係る発明によれば、操作子に付与する反力を大きくすることで、運転者による過度な速い操舵を抑制し、結果的に転舵アクチュエータの負荷の増大を抑制することができ、さらに、操舵入力に対する前記転舵角の比率を小さくすることで、転舵アクチュエータの負荷を低減することができるので、転舵アクチュエータおよびこれに関与する構成部材の温度上昇を防止することができ、発熱に起因する不具合の発生をなくすことができる。
請求項2に係る発明によれば、接続手段を連結することで、転舵アクチュエータの負荷を低減することができるので、転舵アクチュエータおよびこれに関与する構成部材の温度上昇を防止することができ、発熱に起因する不具合の発生をなくすことができる。
以下、この発明に係る操舵装置の実施例を図1から図5の図面を参照して説明する。
図1に示すように、SBW式操舵装置1は、運転者によって操作される操舵部(操舵手段)10と、転舵輪を転舵させる転舵部(転舵手段)20と、を備え、操舵部10と転舵部20はクラッチ手段30を介して機械的に連結および切断可能にされている。また、転舵部20は、操舵部10への操舵入力に基づいてステアリング電子制御装置(ECU)40によって電気的に制御される。
操舵部10は、運転者が操作するステアリングホイール11と、ステアリングホイール11に反力トルクを付与する反力モータ12と、ステアリングホイール11の操舵角を検出しその操舵角に対応する電気信号をECU40に出力する操舵角センサ13と、ステアリングホイール11に作用する操舵トルクを検出しその操舵トルクに対応する電気信号をECU40に出力するする操舵トルクセンサ14と、ステアリングホイール11に直結されたステアリングシャフト15とを備えて構成されている。反力モータ12には、ECU40によって制御される反力モータパワードライブユニット16を介して電力が供給される。反力モータパワードライブユニット16には、反力モータ12に供給される電流を検出しその電流に対応する電気信号をECU40に出力する電流センサ17を備えている。
なお、ステアリングホイール11は、適宜なばね機構など(図示略)により、常時中立位置へ向けて弾発付勢されている。
転舵部20は、左右の車輪(転舵輪)21にナックルアーム22およびタイロッド23を介して連結されたステアリングロッド24と、ステアリングロッド24をねじ機構(図示略)を介して軸方向に駆動し車輪21を転舵するステアリングモータ(転舵アクチュエータ)25と、ステアリングロッド24をラックアンドピニオン機構26aを介して軸方向に駆動可能なサブ・ステアリングシャフト26と、車輪21の転舵角を検出しその転舵角に対応する電気信号をECU40に出力するする転舵角センサ27と、を備えて構成されており、ステアリングモータ25を正転あるいは逆転することによりステアリングロッド24を軸方向左右に移動させ、車輪21を左右に転舵させることができるようになっている。ステアリングモータ25には、ECU40によって制御されるステアリングモータパワードライブユニット28を介して電力が供給される。ステアリングモータパワードライブユニット28は、ステアリングモータ25に供給される電流を検出しその電流に対応する電気信号をECU40に出力する電流センサ29を備えている。
クラッチ手段30は、操舵部10のステアリングシャフト15と転舵部20のサブ・ステアリングシャフト26とを機械的に連結および切断可能にしており、クラッチ手段30の締結/開放はECU40によって制御される。ECU40は、操舵装置1を本来のSBW式の操舵システムとして機能させるときにはクラッチ手段30を開放し、ステアリングホイール11に入力された操舵力で車輪21を転舵可能にするときにはクラッチ手段30を締結する。
車体の適所には車速を検出する車速センサ31が取り付けられており、車速センサ31は車速に対応する電気信号をECU40に出力する。
ECU40は、操舵角センサ13および車速センサ31からの信号に基づいて目標転舵角を算出し、この目標転舵角に転舵角センサ27の出力値(すなわち、車輪21の実転舵角)が一致するようにステアリングモータ25に流す電力の目標電流を算出し、ステアリングモータパワードライブユニット28に出力する。これを受けて、ステアリングモータパワードライブユニット28はステアリングモータ25に前記目標電流で電力を供給する。これにより、このSBW式操舵装置1では、運転者によってステアリングホイール11に入力された操舵角と車速に応じた舵角比に設定される。なお、この出願において舵角比とは操舵角に対する転舵角の比(転舵角/操舵角)をいう。
また、ECU40は、車速センサ31や転舵角センサ27からの信号および目標転舵角と実転舵角の偏差信号(以下、舵角偏差信号という)に基づいて目標操舵反力を算出し、この目標操舵反力に操舵トルクセンサ14の出力値(すなわち、実操舵トルク)が一致するように反力モータ12に流す電力の目標電流を算出し、反力モータパワードライブユニット16に出力する。これを受けて、反力モータパワードライブユニット16は反力モータ12に前記目標電流で電力を供給する。これにより、このSBW式操舵装置1では、車速、転舵角、舵角偏差信号に応じた操舵反力がステアリングホイール11に作用する。
さらに、このSBW式操舵装置1では、ステアリングモータ25、ステアリングモータパワードライブユニット28、反力モータ12、反力モータパワードライブユニット16の過熱を防止するために、温度に応じて段階的に温度上昇抑制処理を実施する。
すなわち、第1段階の温度上昇抑制処理は、定常温度のときよりもステアリングホイール11に作用する操舵反力を大きくする。これにより、運転者による過度な速い操舵を抑制し、転舵部20に対する負荷の増大を抑制して、ステアリングモータ25およびステアリングモータパワードライブユニット28の温度上昇を抑制する。
前記第1段階の温度上昇抑制処理を実施してもなおステアリングモータ25およびステアリングモータパワードライブユニット28の温度上昇が続く場合、あるいは、第1段階の温度上昇抑制処理を実施した結果、反力モータ12あるいは反力モータパワードライブユニット16の温度が所定温度まで上昇してしまったときには、第1段階の温度上昇抑制処理を継続しつつ、第2段階の温度上昇抑制処理として、定常温度のときよりも舵角比を徐々に小さくしていく。これにより、転舵部20の負荷を低減していき、ステアリングモータ25およびステアリングモータパワードライブユニット28の温度上昇を抑制する。
前記第2階の温度上昇抑制処理を施してもなお温度上昇が続き、所定の閾値温度に達した場合には、第3段階の温度上昇抑制処理として、クラッチ手段30を締結することによりステアリングホイール11とステアリングロッド24をラックアンドピニオン機構26aを介して連結する。これにより、運転者によってステアリングホイール11に入力された操舵力が、車輪21を転舵させる駆動力として転舵部20に入力されるようになり、その結果、ステアリングモータ25の出力を低減させて、ステアリングモータ25およびステアリングモータパワードライブユニット28の温度上昇を抑制する。また、これに加えて、積極的にステアリングモータ25の出力を制限(停止あるいは出力低減)して、ステアリングモータ25およびステアリングモータパワードライブユニット28の温度上昇を抑制する。
なお、前記第3段階の温度上昇抑制処理でクラッチ30を締結する際には、運転者に違和感を生じさせないように、クラッチ締結前に予め、舵角比および操舵反力を、ラックアンドピニオン機構26aを介してステアリングシャフト15とサブ・ステアリングシャフト26を連結したときの舵角比および操舵反力(以下、それぞれ締結舵角比、締結操舵反力と称す)に一致あるいは近づけておく。
また、前記第3の温度上昇抑制処理を実施したことによりステアリングモータ25およびステアリングモータパワードライブユニット28の温度が低下した場合には、クラッチ手段30を開放して操舵部10と転舵部20を機械的に切り離し本来のSBW式の操舵システムに復帰させるが、このときにも運転者に違和感を生じさせないように、クラッチ手段30を開放する前に、舵角比および操舵反力を予め最適値に設定しておく。
次に、この実施例における温度上昇抑制処理について、図2および図3のフローチャートに従って説明する。
図2および図3のフローチャートに示す温度上昇抑制処理ルーチンは、ECU40によって一定時間毎に実行される
まず、ステップS101において、ステアリングモータパワードライブユニット28の電流センサ17で検出された電流値に基づいてステアリングモータ25に流れた電流の積算を行うとともに、反力モータパワードライブユニット16の電流センサ29で検出された電流値に基づいて反力モータ12に流れた電流の積算を行う。
次に、ステップS102に進み、ステップS101で算出したステアリングモータ25の電流積算値に基づいてステアリングモータ25の温度T1を推定し、ステップS101で算出した反力モータ12の電流積算値に基づいて反力モータ12の温度T2を推定する。
次に、ステップS103に進み、ステップS101で算出したステアリングモータ25の電流積算値に基づいてステアリングモータパワードライブユニット28の温度T3を推定し、ステップS101で算出した反力モータ12の電流積算値に基づいて反力モータパワードライブユニット16の温度T4を推定する。
なお、この実施例においては、ECU40がステップS101〜S103の処理を実行することにより、温度検出手段が実現される。
次に、ステップS104に進み、ステップS101で推定したステアリングモータ25の温度T1、反力モータ12の温度T2、ステップS102で推定したステアリングモータパワードライブユニット28の温度T3、反力モータパワードライブユニット16の温度T4の中で、一番高い温度を代表温度Tとする。
次に、ステップS105に進み、温度判定フラグFが「0」か否かを判定する。この温度判定フラグFは、後述するように、ステップS113で「0」に設定され、ステップS117で「1」に設定される。
ステップS105における判定結果が「YES」である場合は、ステップS106に進み、図4に示す転舵角補正係数マップを参照して、ステップS104で決定した代表温度Tに対応する転舵角補正係数Rを算出する。この実施例における転舵角補正係数マップでは、代表温度Tが温度t2以下では転舵角補正係数Rは1.0で一定であり、代表温度Tが温度t2を超えると温度上昇にしたがって転舵角補正係数Rが徐々に連続的に減少していき、温度t3における転舵角補正係数r1は、舵角比が締結舵角比にほぼ等くなるように設定されている。なお、温度t3は温度t2よりも高く(t3>t2)、転舵角補正係数r1は1より小さい(r1<1)。
次に、ステップS107に進み、図5に示す反力補正係数マップを参照して、ステップS104で決定した代表温度Tに対応する反力補正係数Gを算出する。この実施例における反力補正係数マップでは、代表温度Tが温度t1以下では反力補正係数Gは1.0で一定であり、代表温度Tが温度t1を超えると温度上昇にしたがって反力補正係数Gが徐々に連続的に増大していき、温度t3における反力補正係数g1は、操舵反力が締結操舵反力にほぼ等しくなるように設定されている。なお、温度t1は温度t2よりも低く(t1<t2)、反力補正係数g1は1より大きい(g1>1)。
次に、ステップS108に進み、前述した操舵角センサ13および車速センサ31からの信号に基づいて算出した目標転舵角に、ステップS106で算出した転舵角補正係数Rを乗じて補正目標転舵角を算出し、この補正目標転舵角に転舵角センサ27の出力値(すなわち、車輪21の実転舵角)が一致するようにステアリングモータ2の電流制御を実行するとともに、車速センサ31や転舵角センサ27からの信号および舵角偏差信号に基づいて算出された目標操舵反力に、ステップS107で算出した反力補正係数Gを乗じて補正目標操舵反力を算出し、この補正目標操舵反力に操舵トルクセンサ14の出力値(実操舵トルク)が一致するように反力モータ12の電流制御を実行する。
なお、以下の説明の都合上、操舵角センサ13および車速センサ31からの信号に基づいて算出した補正前の目標転舵角を「基準目標転舵角」と称し、車速センサ31や転舵角センサ27からの信号および舵角偏差信号に基づいて算出された補正前の目標操舵反力を「基準目標操舵反力」と称す。
次に、ステップS109に進み、代表温度Tが温度t3以上(T≧t3)か否かを判定する。
ステップS109における判定結果が「NO」(T<t3)である場合は、本ルーチンの実行を一旦終了する。すなわち、代表温度Tが温度t3よりも低い間は、ステップS101〜ステップS108の処理を繰り返し実行することになる。
そして、ステップS101〜ステップS108の一連の処理の間、代表温度Tが温度t1以下のときには、転舵角補正係数Rと反力補正係数Gはともに「1」であるので、補正目標転舵角は基準目標転舵角と一致し、補正目標操舵反力は基準目標操舵反力に一致する。すなわち、温度t1以下の温度領域では、舵角比と操舵反力のいずれも定常温度時の舵角比と操舵反力となる。
また、代表温度Tが温度t1を超えて温度t2以下の温度領域では、転舵角補正係数Rは「1」で変化しないが、反力補正係数Gは1よりも徐々に大きくなっていく。すなわち、温度t1を超えて温度t2以下の温度領域では、舵角比については定常温度時の舵角比に設定されるが、操舵反力については定常温度時の操舵反力よりも大きい値に設定される。つまり、前述した第1段階の温度上昇抑制処理が実行されることになる。
また、代表温度Tが温度t2を超えて温度t3以下の温度領域では、反力補正係数Gは引き続いて徐々に大きくなっていき、さらにこれに加えて、転舵角補正係数Rが1よりも徐々に小さくなっていく。すなわち、温度t2を超えて温度t3以下の温度領域では、操舵反力については定常温度時の操舵反力よりも大きい値に設定され、舵角比については定常温度時の舵角比よりも小さい値に設定される。つまり、前述した第2段階の温度上昇抑制処理が実行されることになる。
そして、ステップS109における判定結果が「YES」(T≧t3)である場合は、ステップS110に進んでクラッチ30を締結し、ステアリングシャフト15とサブ・ステアリングシャフト26をラックアンドピニオン機構26aを介して連結する。これにより、運転者によってステアリングホイール11に入力された操舵力が、車輪21を転舵させる駆動力として転舵部20に入力されるようになり、その結果、ステアリングモータ25の出力を低減させることができ、ステアリングモータ25およびステアリングモータパワードライブユニット28の温度上昇を抑制することができる。つまり、前述した第3段階の温度上昇抑制処理が実行されることになる。
なお、代表温度Tが温度t3になる直前において(すなわち、クラッチ30が締結される直前において)、転舵角補正係数Rは舵角比を締結舵角比にほぼ等くさせる値に設定され、反力補正係数Gは操舵反力を締結操舵反力にほぼ等しくさせる値に設定されるので、クラッチ30の締結時に運転者が違和感を感じることがない。
次に、ステップS111に進み、ステアリングモータ25を停止あるいは出力を低下させる。すなわち、ステアリングモータ25の出力制限を行う。これにより、さらに積極的に、ステアリングモータ25およびステアリングモータパワードライブユニット28の温度上昇を抑制することができる。
次に、ステップS112に進み、代表温度Tが温度t3以上(T≧t3)か否かを判定する。ステップS112における判定結果が「YES」(T≧t3)である場合は、ステップS117に進み、温度判定フラグFを「1」にして、本ルーチンの実行を一旦終了する。すなわち、この場合には、クラッチ30の締結を継続した状態で、ステップS101〜105およびステップS111の一連の処理(第3段階の温度上昇抑制処理)を継続する。
一方、ステップS112における判定結果が「NO」(T<t3)である場合は、ステアリングモータ25およびステアリングモータパワードライブユニット28の温度が低下したので、ステップS113に進んで温度判定フラグFを「0」にし、さらに、ステップS114およびステップS115に進んでクラッチ30の締結準備を行う。すなわち、クラッチ開放時に運転者が違和感を感じないように、ステップS114において、クラッチ開放状態の本来のSBW式の操舵システムに復帰するのに最適な目標転舵角を設定し、ステップS115において、クラッチ開放状態の本来のSBW式の操舵システムに復帰するのに最適な目標操舵反力を設定する。
次に、ステップS116に進んで、クラッチ30を開放し、本来のSBW式の操舵システムに復帰させて、本ルーチンの実行を一旦終了する。
このように構成されたSWB式の操舵装置1によれば、操舵部10、転舵部20の温度状態に応じてそれらの負荷を軽減する方向で、舵角比および操舵反力を設定するので、発熱が生じ易い極低速での車庫入れや据え切り時などでも運転者に急激に違和感を与えることなくことなく、ステアリングモータ25、ステアリングモータパワードライブユニット28、反力モータ12、反力モータパワードライブユニット16の発熱を低減させることができる。
また、それでもさらに温度上昇が続く場合には、運転者に大きな違和感を与えることなく操舵部10と転舵部20を機械的に接続して、ステアリングモータ25等の負荷を低減させて、発熱を低減させることができる。そして、発熱が低減したため操舵部10と転舵部20の機械的接続の必要がなくなったときには、運転者に大きな違和感を与えることなく操舵部10と転舵部20を機械的に切り離して、本来のSBW式の操舵システムに復帰させることができる。
〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、反力モータ12、反力モータパワードライブユニット16、ステアリングモータ25、ステアリングモータパワードライブユニット28、の温度を電流積算により推定しているが、これらの温度を温度センサ(温度検出手段)で直接検出してもよい。
この発明に係るSBW式操舵装置の概略構成図である。 温度抑制制御の一実施例を示すフローチャート(その1)である。 温度抑制制御の一実施例を示すフローチャート(その2)である。 前記温度上昇抑制処理に用いられる転舵角補正係数マップの一例を示す図である。 前記温度上昇抑制処理に用いられる反力補正係数マップの一例を示す図である。
符号の説明
1 操舵装置
11 ステアリングホイール(操作子)
12 反力モータ(反力アクチュエータ)
13 操舵角センサ(操舵入力検出手段)
21 車輪(転舵輪)
25 ステアリングモータ(転舵アクチュエータ)
30 クラッチ(接続手段)
40 ECU(温度検出手段、制御手段)

Claims (2)

  1. 運転者により操作される操作子と、
    前記操作子に入力される操舵入力を検出する操舵入力検出手段と、
    前記操作子とは機械的に分離された転舵輪を転舵する転舵アクチュエータと、
    前記操作子に反力を付与する反力アクチュエータと、
    前記転舵アクチュエータおよび前記反力アクチュエータを制御する制御手段と、
    を備えた操舵装置において、
    前記転舵アクチュエータの温度または前記反力アクチュエータの温度またはこれらの温度に関与する構成部材の温度を検出する温度検出手段を備え、
    前記制御手段は、操舵入力検出手段により検出された操舵入力に応じて前記転舵アクチュエータを制御するとともに、前記温度検出手段で検出された温度が第1の所定値を越えたときには、前記操作子に付与される反力を前記温度が前記第1の所定値以下のときよりも大きくするように前記反力モータを制御する第1の温度上昇抑制制御を行い、前記温度が前記第1の所定値よりも大きい第2の所定値を越えたときには、前記第1の温度上昇抑制制御を継続しつつ、前記操舵入力に対する前記転舵角の比率を前記温度が前記第2の所定値以下のときよりも小さくするように前記転舵アクチュエータを制御する第2の温度上昇抑制制御を行うことを特徴とする操舵装置。
  2. 前記操作子と前記転舵輪とを機械的に連結および切断可能にする接続手段を備え、
    前記温度検出手段で検出された温度が、前記第2の所定値よりも大きい第3の所定値以上のときは、前記接続手段を連結することを特徴とする請求項1に記載の操舵装置。
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