JP2006001417A - 車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 バックアップ手段を備えたステア・バイ・ワイヤシステム方式の車両用操舵装置において、最大転舵角付近での転舵モータの駆動負荷を抑制し、転舵モータの小型軽量化を図る。
【解決手段】 ステアリングホイール９と転舵モータ２９，３０とを機械的に連結するバックアップ装置２と、バックアップ装置２を解放状態にしてステアリングホイール９のステアリング操作に応じて転舵モータ２９，３０を駆動するSBW制御と、バックアップ装置２を連結状態にしてステアリングホイール９からのドライバの操舵力に補助操舵力を付加するように転舵モータ２９，３０を駆動するPS制御とを行う第１制御コントローラ４ａとを備え、第１制御コントローラ４ａは、前輪２７，２７の転舵角が所定の第１設定舵角Ｙdeg以上となったときには、SBW制御からPS制御に移行する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、機械的に切り離されたステアリング操作手段と転舵機構とを連結するバックアップ手段を備えた車両用操舵装置の技術分野に属する。

従来の車両用操舵装置は、ステアリング操作手段と転舵機構とを機械的に切り離して、ステアリング操作に応じて転舵機構を駆動するステア・バイ・ワイヤ制御中に、操向輪が最大転舵角に達し、ラック軸がラックストッパと接触したとき、バックアップ手段のクラッチ機構を連結し、ステアリング操作手段に操舵反力を発生させる反力モータの出力と、転舵機構のラック軸を駆動する転舵モータの出力を共にゼロとしている。

すなわち、最大転舵角ではステアリング操作手段と操向輪とを機械的に連結し、ステア・バイ・ワイヤ制御を解除することにより、反力モータおよびその駆動回路の大容量化を伴うことなく、最大転舵角に応じた充分な操舵反力が得られる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１７１５４３号公報

しかしながら、上記従来技術にあっては、ラック軸が最大転舵角に到達するまでは転舵モータの出力のみを用いてラック軸を駆動する構成であるため、特にラック駆動負荷が過大となる据え切りから極低速域での操舵でもラック軸を最大転舵角まで駆動するためには、大容量のモータが必要となり、モータの小型軽量化が困難であるという問題があった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、最大転舵角付近での転舵モータの負荷を抑制し、転舵モータの小型軽量化を図る車両用操舵装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明の車両用操舵装置では、
操向輪を転舵させる転舵機構と、
この転舵機構と機械的に切り離されたステアリング操作手段と、
前記転舵機構とステアリング操作手段とを機械的に連結するバックアップ手段と、
このバックアップ手段を解放状態にして、前記ステアリング操作手段のステアリング操舵に応じて前記転舵機構を駆動するステア・バイ・ワイヤ制御と、前記バックアップ手段を連結状態にして、前記ステアリング操作手段からのドライバの操舵力に補助操舵力を付加するように前記転舵機構を駆動するパワーステアリング制御と、を行う操舵制御手段と、
を備え、
前記操舵制御手段は、前記操向輪の転舵角が所定の第１設定舵角以上となったとき、前記ステア・バイ・ワイヤ制御から前記パワーステアリング制御に移行することを特徴とする。

本発明にあっては、最大転舵角となる前にバックアップ手段によりステアリング操作手段と転舵機構とが連結され、ステア・バイ・ワイヤ制御からパワーステアリング制御に移行する。すなわち、転舵アクチュエータの負荷が最も大きくなる第１設定舵角から最大転舵角まで、ドライバの操舵力がラック駆動負荷の一部を負担するため、転舵アクチュエータの負荷が抑制される。よって、大容量のモータが不要となり、転舵モータの小型軽量化を実現できる。

以下に、本発明の車両用操舵装置を実施するための最良の形態を、実施例１〜実施例３に基づいて説明する。

まず、構成を説明する。
図１は、実施例１の車両用操舵装置を示す全体システム図である。
この実施例１は、フェールセーフのため各センサ、転舵アクチュエータおよび転舵アクチュエータを制御するコントローラを２重系としたステア・バイ・ワイヤ（以下、SBWという。）システムの例であり、反力装置１と、バックアップ装置（バックアップ手段）２と、転舵装置３と、制御コントローラ（操舵制御手段）４と、を備えている。

反力装置１は、反力アクチュエータとしての反力モータ５と、２つの舵角センサ６ａ，６ｂと、トルクセンサ７と、エンコーダ８と、を備えている。反力モータ５は、ステアリングホイール９とケーブル式コラム１０とを連結するアッパコラムシャフト１１を回転軸とする電動モータを備え、そのケーシング５ａが車体の適所に固定されている。

反力モータ５には、ステアリングホイール９からアッパコラムシャフト１１へ入力される操舵トルクを検出するためのトルクセンサ７と、ステアリングホイール９の操作角（操舵角）を検出するための２つの舵角センサ６ａ，６ｂと、モータ回転角を検出するためのエンコーダ８が付設されている。

２つの舵角センサ６ａ，６ｂには、アブソリュート型レゾルバ等が用いられている。これら２つの舵角センサ６ａ，６ｂは、トルクセンサ７のねじれによる角度変化の影響を受けることなく、操舵角を検出できるように、ステアリングホイール９とトルクセンサ７との間に設けられている。

反力モータ５は、例えば、ステータ部にホールIC１３（図５参照）を備えるブラシレスモータが用いられている。なお、ホールIC１３のみでもモータトルクを発生するモータ駆動は可能であるが、微細なトルク変動が発生し、操舵反力感が悪い。このため、実施例１では、より繊細で滑らかな反力制御を実施するために、アッパコラムシャフト１１にエンコーダ８を装着し、モータ制御を行うことで、繊細なトルク変動を低減でき、操舵反力感の向上を図っている。

また、反力モータ５のステータ部は、フェールセーフのために第１ステータ５ｂと第２ステータ５ｃの２つのステータ部を備え、一方への電流供給に異常が生じた場合でも、反力モータ５を駆動可能である。

バックアップ装置２は、ケーブル式コラム１０と電磁クラッチ１４とを備えている。
まず、電磁クラッチ１４の構成を説明する。
図２は電磁クラッチ１４の構成を示す断面図であり、図２において、ロアコラムシャフト１９（図１参照）と連結されたロアシャフト１５の周囲には、ボス１６を介してフランジ１７を有するロータ１８が設けられている。このロータ１８と同一軸線上には、ケーブル式コラム１０と連結されたアッパシャフト２０が設けられ、このアッパシャフト２０には、フランジ２１を有するアーマチュアハブ２２がスプライン嵌合されている。このアーマチュアハブ２２のフランジ２１より半径方向外側には、フランジ２１に板ばね２３を介して固定され、ロータ１８のフランジ１７の吸着面１７ａと対向するアーマチュア２４が設けられている。

ロータ１８の周囲には、図外のコラムハウジングあるいは固定用ハウジングに固定される電磁コイル２５を内蔵するヨーク２６が設けられている。なお、板ばね２３は、フランジ２１のヨーク２６とは反対側の側面に固定された環状の基部２３ａと、この基部２３ａに放射状に延在するブリッジ２３ｂを介して一体に形成され、かつアーマチュア２４のヨーク２６とは反対側の側面に固定された環状の自由端部２３ｃとからなる環状体によって形成されている。

このように構成された電磁クラッチ１４においては、電磁コイル２５に通電されると、磁束Φが発生する。このとき、アーマチュア２４が板ばね２３の復帰力に抗してロータ１８のフランジ１７に吸着され、アッパシャフト２０とロアシャフト１５とが連結される。そして、ロアシャフト１５が回転すると、この回転力が電磁クラッチ１４を介して図外のステアリングホイール９に伝達される。また、電磁コイル２５への通電を解除すると、磁束Φが消滅してアーマチュア２４が板ばね２３の復帰力によってロータ１８から離間する。伝達トルク容量は電磁コイル２５の発生できる磁束を変えることで吸着力が変化するため、任意に設定できる。

次に、ケーブル式コラム１０の構成を説明する。
図３は、ケーブル式コラム１０の構成を説明する断面図であり、図３において、アッパシャフト２０およびアッパコラムシャフト１１は、その下側に伝動ケーブル１０ａ，１０ｂの他端側に巻き付けるための伝動輪１０ｃ，１０ｄが同軸上に設けてあり、これら伝動輪１０ｃ，１０ｄに伝動ケーブル１０ａ，１０ｂが掛止してある。この伝動ケーブル１０ａ，１０ｂは、クラッチ連結時にドライバの操舵力を転舵装置３へ伝動するもので、ワイヤ等の線部材８１ａ，８１ｂと、線部材８１ａ，８１ｂが挿通され、線部材８１ａ，８１ｂの長さ方向への移動を案内する可撓性を有する案内筒８２ａ，８２ｂとを備えている。

線部材８１ａ，８１ｂの一端は、下側伝動輪１０ｄの軸方向へ離隔した位置に互いに逆方向への巻き付けが可能に掛止してあり、他端は上側伝動輪１０ｃの軸方向へ離隔した位置に互いに逆方向への巻き付けが可能に掛止してある。

このケーブル式コラム１０は、ステアリングホイール９を一方向に回転させると、２本の伝動ケーブル１０ａ，１０ｂのうち、一方のケーブルがドライバから入力される操舵トルクを伝達し、他方のケーブルが前輪２７，２７（図１）から入力される反力トルクを伝達することで、シャフト式コラムと同等の機能を発揮する。

転舵装置３は、ステアリングラック２８と、転舵アクチュエータとしての第１，第２転舵モータ２９，３０と、２つの舵角センサ３１ａ，３１ｂと、トルクセンサ３２と、エンコーダ３３，３４と、を備えている。

ステアリングラック２８は、車体の左右方向へ延設されたラック２８ａと、このラック２８ａの両端部にタイロッド２８ｂ，２８ｂを介して結合され、前輪２７，２７を支持するナックルアーム２８ｃ，２８ｃとを有している。ラック２８ａは、ハウジング２８ｄに支承されて軸方向に摺動可能に設けられている。ラック２８ａの一部に形成された図外のラックギアには、ロアコラムシャフト１９に形成された図外のピニオンギアが噛み合っている。

第１，第２転舵モータ２９，３０は、ウォームギア３５ａ，３５ｂを介してロアコラムシャフト１９に連結されている。これら第１，第２転舵モータ２９，３０としては、反力モータ５と同様、ブラシレスモータが用いられ、そのステータ部にホールIC３６（図５参照）が付設されている。第１，第２転舵モータ２９，３０の出力軸には、モータ回転角度を検出するエンコーダ３３，３４が付設されている。

トルクセンサ３２は、ロアコラムシャフト１９において、ステアリングラック２８と第２転舵モータ３０の間の位置に設けられている。２つの舵角センサ３１ａ，３１ｂは、ロアコラムシャフト１９の回転角、すなわち前輪２７，２７の転舵角を検出するもので、例えば、アブソリュート型レゾルバが用いられている。これら２つの舵角センサ３１ａ，３１ｂは、トルクセンサ３２のねじりによる角度変化の影響を受けることなく、ロアコラムシャフト１９の回転角を検出できるように、ロアコラムシャフト１９の先端部に設けられている。

転舵装置３において、電磁クラッチ１４が転結状態であれば、ステアリングホイール９に加えられた操舵トルクは、ロアコラムシャフト１９を介してステアリングラック２８に伝達される。

次に、トルクセンサ７，３２の構成を説明する。実施例１では、２つのトルクセンサ７，３２は同一構成のものを用いているため、トルクセンサ７のみを説明し、トルクセンサ３２の説明を省略する。

図４は、トルクセンサ７の構成を説明する断面図である。トルクセンサ７は、トーションバー７ａと、第１軸７ｂと、第２軸７ｃと、第１磁性体７ｄと、第２磁性体７ｅと、コイル７ｆと、第３磁性体７ｇとを、備えている。

トーションバー７ａは、アッパコラムシャフト１１の軸方向へ延在し、第１磁性体７ｄは、トーションバー７ａの一端に連結された第１軸７ｂに固定されている。第２軸７ｃは、トーションバー７ａおよび第１軸７ｂと同軸をなし、この第２軸７ｃには第２磁性体７ｅが固定されている。コイル７ｆは、第１磁性体７ｄおよび第２磁性体７ｅに対面して設けられ、このコイル７ｆを周囲には、第１磁性体７ｄおよび第２磁性体７ｅと共に磁気回路を形成する第３磁性体７ｇが設けられている。

コイル７ｆは、トーションバー７ａに作用するねじれに基づく第１磁性体７ｄと第２磁性体７ｅとの相対変位に対応してインダクタンスがが変化する。トルクセンサ７は、コイル７ｆのインダクタンスに基づく出力信号によりトルクを検出している。

トルクセンサ７，３２は、フェールセーフのために、第１磁性体７ｄ、第２磁性体７ｅ、コイル７ｆおよび第３磁性体７ｇを２対備え、常に２種類の値を検出し、制御コントローラ４へ出力している。

図１に戻り、制御コントローラ４の構成を説明する。
制御コントローラ４は、第１，第２制御コントローラ４ａ，４ｂを有している。第１，第２制御コントローラ４ａ，４ｂには、反力装置１から、２つの舵角センサ６ａ，６ｂの検出値と、トルクセンサ７からの２つの検出値と、エンコーダ８からの検出値と、ホールIC１３からの検出値とが入力される。また、転舵装置３から、２つの舵角センサ３１ａ，３１ｂの検出値と、トルクセンサ３２からの２つの検出値と、エンコーダ３３，３４からの検出値と、ホールIC３６からの検出値とが入力される。また、第１，第２制御コントローラ４ａ，４ｂには、車輪速等から自車の車速を検出する車速センサ５０からの検出値が入力される。

第１，第２制御コントローラ４ａ，４ｂは、各センサの検出値に基づいて、反力モータ５と、第１，第２転舵モータ２９，３０と、電磁クラッチ１４とを制御する。第１，第２制御コントローラ４ａ，４ｂは、常にお互いの状態をモニタリングし、一方に異常が発生した場合でも、他方により操舵制御を継続できるよう構成されている。なお、実施例１では、通常時は第１制御コントローラ４ａを用い、第１制御コントローラ４ａに異常が発生したとき、第２制御コントローラ４ｂを用いることとする。

図５は、実施例１の制御ブロック図であり、第１，第２制御コントローラ４ａ，４ｂは同一構成であるため、第１制御コントローラ４ａについてのみ説明する。
第１制御コントローラ４ａは、故障診断部３７と、反力指令値演算部３８と、反力モータ駆動部３９と、転舵指令値演算部４０と、転舵モータ駆動部４１と、制御コントローラ診断部４２と、を備えている。

故障診断部３７は、各センサの検出値から、あらかじめ定められたロジックに基づいて、反力指令値演算部３８と転舵指令値演算部４０に与える各センサの検出値を決定し、出力する。故障診断部３７の出力は、制御コントローラ診断部４２へも出力される。

また、故障診断部３７は、各センサ検出値から、SBW制御の継続が不能となる故障を判断し、故障と判断したとき、電磁クラッチ１４を連結させ、ステアリングホイール９とステアリングラック２８とを機械的に連結させる。これにより、SBWシステムが故障した場合でも、ドライバの操舵による前輪２７，２７の転舵を可能としている。

反力指令値演算部３８は、故障診断部３７の出力に基づいて、反力指令値を演算し、反力モータ駆動部３９と制御コントローラ診断部４２へ出力する。

反力モータ駆動部３９は、反力指令値に基づいて指令電流値を算出し、反力モータ５の第１ステータ５ｂと第２ステータ５ｃに駆動電流を出力する。この駆動電流は、反力モータ５に設けられた電流センサ５ｄ，５ｅによりモニタリングされ、故障診断部３７へ出力される。

転舵指令値演算部４０は、故障診断部３７の出力に基づいて、転舵指令値を演算し、転舵モータ駆動部４１と制御コントローラ診断部４２へ出力する。

転舵モータ駆動部４１は、転舵指令値に基づいて指令電流値を算出し、第１，第２転舵モータ２９，３０に駆動電流を出力する。この駆動電流は、第１，第２転舵モータ２９，３０に設けられた電流センサ２９ａ，３０ａによりモニタリングされ、故障診断部３７に出力される。

制御コントローラ診断部４２は、故障診断部３７の出力と、反力指令値演算部３８の出力と、転舵指令値演算部４０の出力とに基づいて、各センサや第１制御コントローラ４ａの異常を判断し、第１制御コントローラ４ａの状態を第２制御コントローラ４ｂに出力して、第２制御コントローラ４ｂを用いて、操舵制御を継続することができる。

第１制御コントローラ４ａでは、SBW制御中、車速が第１設定車速以下となり、かつ、前輪２７，２７の転舵角が最大転舵角付近の第１設定舵角に達したとき、電磁クラッチ１４を連結させるとともに、第１，第２転舵モータ２９，３０を用いてパワーステアリング（以下、PSという。）制御を実施する。また、第１設定舵角は、車速が低いほど、小さな値に設定するようにする。

一方、第１制御コントローラ４ａでは、PS制御中、車速が第１設定車速よりも高い第２設定車速以上、または前輪２７，２７の転舵角が第１設定舵角よりも小さな第２設定舵角以下となったとき、電磁クラッチ１４を解放し、SBW制御に復帰する。

図６は、実施例１のPS制御における転舵指令値演算部４０のアシスト指令値演算方法を示す制御ブロック図である。転舵指令値演算部４０には、車速センサ５０からの車速信号と、ノイズを除去するフィルタ５１を介して反力装置１のトルクセンサ７からのトルク信号とが入力される。

転舵指令値演算部４０は、車速信号とトルク信号とに基づいて、図６のブロック４０内に示す操舵トルクに応じたアシスト量マップから、転舵モータアシスト量を演算し、アシスト指令値として転舵モータ駆動部４１へ出力する。

転舵モータアシスト量マップは、ドライバの操舵負担軽減を図るために、操舵トルクが大きいほどアシスト量が増加するように設定されている。また、高車速域における直進安定性を図るために、車速が高くなるほどアシスト量が減少するように設定されている。

次に、作用を説明する。
［操舵制御処理］
図７は、実施例１の第１制御コントローラ４ａで実行される操舵制御処理の流れを示すフローチャートで、以下、各ステップについて説明する。

ステップS0では、イグニッションスイッチがONであるかどうかを判定する。YESの場合にはステップS1へ移行し、NOの場合には本制御を終了する。

ステップS1では、車速が第１設定車速Ｘkm/h以下であり、かつ前輪２７，２７の転舵角が第１所定角度Ｙdeg以上であるかどうかを判定する。YESの場合にはステップS2へ移行し、NOの場合にはステップS5へ移行する。

ステップS2では、電磁クラッチ１４を連結させ、ステップS3へ移行する。

ステップS3では、反力モータ５を停止させるとともに、図６に示した操舵トルクに応じたアシスト量マップに基づいて転舵モータ２９，３０を駆動するPS制御を実施し、ステップS4へ移行する。

ステップS4では、車速が第２設定車速Ｗ（>Ｘ）km/h以上か、または前輪２７，２７の転舵角が第２設定舵角Ｚ（<Ｙ）deg以下であるかどうかを判定する。YESの場合にはステップS5へ移行し、NOの場合にはステップS7へ移行する。

ステップS5では、電磁クラッチ１４を解放し、ステップS6へ移行する。

ステップS6では、SBW制御を実施し、ステップS1へ移行する。

ステップS7では、電磁クラッチ１４の連結を維持し、ステップS3へ移行する。

ステップS8では、イグニッションスイッチがOFFであるかどうかを判定する。YESの場合には本制御を終了し、NOの場合にはステップS3へ移行する。

［操舵制御作動］
極低速域において、前輪２７，２７を最大転舵角付近まで転舵させた場合には、図７のフローチャートにおいて、ステップS0→ステップS1→ステップS2→ステップS3→ステップS4へと進み、ステップS4において、車速が第２設定車速Ｗkm/h以上、または前輪２７，２７の転舵角が第２設定舵角Ｚdeg以下となるまで、ステップS3→ステップS4→ステップS7→ステップS8へと進む流れが繰り返される。すなわち、最大転舵角付近において、電磁クラッチ１４の連結によりステアリングホイール９とステアリングラック２８とが機械的に連結され、第１，第２転舵モータ２９，３０によるPS制御が実施される。

よって、極低速かつ大舵角域では、PS制御によりドライバの操舵力がステアリングラック２８の駆動負荷の一部を負担するため、全転舵角域でSBW制御を実施する従来技術に比して、第１，第２転舵モータ２９，３０にかかる負荷が大幅に低減される。このため、第１，第２転舵モータ２９，３０として小容量のモータを使用でき、モータの小型軽量化を図ることができる。

また、ステアリングホイール９とステアリングラック２８との機械的な連結により、転舵角に応じた路面反力がステアリングホイール９に入力されるため、反力モータ５を駆動させることなく、充分な操舵反力が得られる。よって、第１，第２転舵モータ２９，３０のみならず、反力モータ５も小型化できる。

PS制御中、車速が第２設定車速Ｗkm/h以上、または前輪２７，２７の転舵角が第２設定舵角Ｚdeg以下となった場合には、図７のフローチャートにおいて、ステップS4→ステップS5→ステップS6へと進む流れとなり、電磁クラッチ１４が解放され、PS制御からSBW制御に復帰する。

よって、極低速かつ大舵角域以外の場合には、PS制御からSBW制御に復帰した場合でも、ステアリングラック２８の駆動負荷が小さいため、SBW制御に復帰した場合でも、第１，第２転舵モータ２９，３０に高負荷をかけることがない。

このとき、PS制御移行条件とSBW制御復帰条件とにヒステリシスを設けているため、車速と転舵角がPS制御移行条件付近を行き来する場合に、電磁クラッチ１４が短時間で連結解放を繰り返し、振動や騒音が発生するのを防止できる。

車速が第１設定車速Ｘkm/hよりも高い、または前輪２７，２７の転舵角が第１設定舵角Ｙdegよりも小さい場合には、図７のフローチャートにおいて、ステップS0→ステップS1→ステップS5→ステップS6→ステップS0へと進む流れが繰り返され、SBW制御が継続される。

すなわち、走行中に路面の穴等を通過した場合等、タイヤに過大な路面反力が加わり、転舵角が変化したとき、電磁クラッチ１４が連結されると、強大なキックバックがステアリングホイール９に伝わり、運転性が悪化してしまう。実施例１では、極低速で大舵角域以外は電磁クラッチ１４を連結せず、SBW制御を継続することにより、運転性の悪化を防止できる。

なお、極低速かつ大舵角域以外の場合には、ステアリングラック２８の駆動負荷が小さいため、SBW制御を継続したとしても、第１，第２転舵モータ２９，３０に高負荷がかかることはない。

［大舵角域におけるPS制御作用］
据え切りや極低速域に転舵する際のステアリングラック負荷は、サスペンションの持ち上げトルクの影響やタイヤ接地点の摩擦の影響などから、一般的に図８のような特性を示し、また、リンク効率の影響から転舵角が大きくなるのにつれて転舵に必要なラック推進力が大きくなる。

また、必要ラック推力の車速依存性については、図９に示すように、車速が上がるとラック負荷は減少していく。この減少代は極低速域で顕著である（この現象は、パワーアシストの無いマニュアルステアリング車で体感できる一般的なものである）。

このように、極低速域の最大転舵角付近は特にラック負荷が高い。例えば、車両停止中の据え切りなど、最大転舵角までSBW制御を実施すると、負荷に対応した出力を有する転舵モータが必要となり、モータの大型化を招く。また高負荷で駆動するため、電力消費が増大し、転舵モータの温度上昇も顕著である。このとき、温度上昇に応じて転舵モータの駆動を制限すると、最大転舵角まで転舵できないなどの問題が生じる。

これに対し、実施例１の車両用操舵装置では、車速が第１設定車速Ｘkm/h以下となる据え切り時や極低速域では、SBW制御を実施する転舵角範囲を最大転舵角まで実行せず、操舵中立点から第１設定舵角ＹdegまではSBW制御による転舵を実施し、第１設定舵角Ｙdegから最大転舵角までは電磁クラッチ１４を連結し、転舵モータ２９，３０を用いたPS制御による転舵を実施することにより、上記問題を解決した。

すなわち、PS制御中は、ステアリングホイール９とステアリングラック２８とが機械的に連結して、ドライバによるステアリング操舵力に補助操舵力を付加するように、第１，第２転舵モータ２９，３０を駆動するので、最大転舵角付近でも、モータ負荷は高くならないため、電力消費や第１，第２転舵モータ２９，３０の温度上昇を抑制でき、高負荷に対応した大型モータを使わずに、最大転舵角まで転舵可能となる。

［PS制御開始とPS制御終了のヒステリシス設定作用］
例えば、車速センサ５０の検出値が第１設定車速Ｘkm/hよりも低い低速で、悪路や砂利石路などをフル転舵でＵターンする場合、路面からの入力によりステアリングホイール９が取られるため、保舵状態であっても、ステアリングホイール９が変動した回転を行う。このとき、ステアリングホイール９の回転角の変動に合わせて、電磁クラッチ１４の連結解放が短時間の間に繰り返されると、電磁クラッチ１４の連結解放に伴う振動と音が発生し、操作性が悪化する。また、最大転舵角付近で電磁クラッチ１４が連結するため、操舵反力の上昇が急であり、ドライバがショックを感じるという問題があった。

これに対し、実施例１の車両用操舵装置では、PS制御開始条件を、車速が第１設定車速Ｘkm/h以下かつ前輪２７，２７の転舵角がＹdeg以上とし、PS制御終了条件を、車速がＸkm/hより高い第２設定車速Ｗkm/h以上または前輪２７，２７の転舵角がＹdegより小さいＺdeg以下とした。すなわち、PS制御開始条件とPS制御終了条件とにヒステリシスを設定したため、電磁クラッチ１４の連結解放が繰り返すのを低減でき、連結解放に起因する音や振動を低減できる。また、車輪のスリップなどによりセンサ信号が一時的に増加して、車速値が変化することにより、電磁クラッチ１４が連結解放を繰り返すのを低減できる。

次に、効果を説明する。
実施例１の車両用操舵装置にあっては、下記に列挙する効果が得られる。

(1) 前輪２７，２７を転舵させる転舵モータ２９，３０と転舵モータ２９，３０と機械的に切り離されたステアリングホイール９と、ステアリングホイール９と転舵モータ２９，３０とを機械的に連結するバックアップ装置２と、バックアップ装置２を解放状態にしてステアリングホイール９のステアリング操舵に応じて転舵モータ２９，３０を駆動するSBW制御と、バックアップ装置２を連結状態にしてステアリングホイール９からのドライバの操舵力に補助操舵力を付加するように転舵モータ２９，３０を駆動するパワーステアリング制御とを行う第１制御コントローラ４ａ（第２制御コントローラ４ｂ）とを備え、第１制御コントローラ４ａ（第２制御コントローラ４ｂ）は、前輪２７，２７の転舵角が第１設定舵角Ｙdeg以上となったときには、SBW制御からPS制御に移行するため、ラック駆動負荷が大きくなる最大転舵角付近において、転舵モータ２９，３０の負荷を抑制でき、転舵モータの小型軽量化を実現できる。

(2) 第１制御コントローラ４ａ（第２制御コントローラ４ｂ）は、車速が低いほど、第１設定舵角Ｙdegを小さく設定するため、車速が低いほど、大きくなる最大転舵角付近のラック駆動負荷に合わせて、SBW制御からPS制御に移行することができるので、転舵モータ２９，３０の負荷を抑制でき、転舵モータの小型軽量化を実現できる。

(3) 第１制御コントローラ４ａ（第２制御コントローラ４ｂ）は、PS制御中、前輪２７，２７の転舵角が第１設定舵角Ｙdegよりも小さな第２設定舵角Ｚdeg以下となったとき、バックアップ装置２の電磁クラッチ１４を解放し、PS制御からSBW制御に移行するため、転舵角が第１設定舵角Ｙdegを行き来する場合、電磁クラッチ１４の連結解放が頻繁に繰り返されることに起因する運転性の悪化を低減できる。

(4) 第１制御コントローラ４ａ（第２制御コントローラ４ｂ）は、車速が第１設定車速Ｘkm/h以下となったとき、SBW制御からPS制御に移行するため、ラック駆動負荷が最も大きくなる据え切りから極低速域において、転舵モータ２９，３０の負荷を軽減できる。また、極低速で大舵角域以外は電磁クラッチ１４を連結しないため、走行中に穴などを通過したとき、路面からの強大なキックバックがドライバに伝わり、運転性が悪化するのを防止できる。

(5) 第１制御コントローラ４ａ（第２制御コントローラ４ｂ）は、PS制御中、車速が第１設定車速Ｘkm/hよりも高い第２設定車速Ｗkm/h以上となったとき、PS制御からSBW制御に移行するため、車速が第１設定車速Ｘkm/hを行き来する場合、電磁クラッチ１４の連結解放が頻繁に繰り返されることに起因する運転性の悪化を低減できる。

実施例２は、PS制御時、転舵アクチュエータに加え、反力アクチュエータを用いてPS制御を実施する例である。

まず、構成を説明する。
図１０は、実施例２のPS制御における転舵指令値演算部４０と反力指令値演算部３８のアシスト指令値演算方法を示す制御ブロック図であり、図６に示した実施例１と異なる点のみ説明する。

反力指令値演算部３８には、車速センサ５０からの車速信号と、フィルタ５１を介して反力装置１のトルクセンサ７からのトルク信号とが入力される。反力指令値演算部３８は、車速信号とトルク信号とに基づいて、図１０のブロック３８内に示す操舵トルクに応じたアシスト量マップから、反力モータアシスト量を演算し、アシスト指令値として反力モータ駆動部３９へ出力する。

反力モータアシスト量マップは、転舵モータアシスト量マップと同様に、ドライバの操舵負担軽減を図るために、操舵トルクが大きいほどアシスト量が増加するように設定されている。また、高車速域における直進安定性を図るために、車速が高くなるほどアシスト量が減少するように設定されている。

実施例２では、転舵モータ２９，３０と反力モータ５とでアシスト量を分担できるため、転舵モータアシスト量と反力モータアシスト量は、図６に示した実施例１の転舵モータアシスト量に対し、同じ操舵トルクのとき、１／２となるよう、同一の特性に設定されている。

次に、作用を説明する。
SBW制御からPS制御に移行したとき、転舵モータ２９，３０と反力モータ５とにより、操舵トルクに応じたアシストトルクが出力される。このとき、転舵モータ２９，３０の出力する転舵モータアシスト量は、実施例１に対して半分で済み、モータの負荷は半分となる。よって、転舵モータ２９，３０のさらなる小型化を図ることができる。

次に、効果を説明する。
実施例２の車両用操舵装置にあっては、実施例１の効果(1)〜(5)に加え、下記に列挙する効果が得られる。

(6) 第１制御コントローラ４ａ（第２制御コントローラ４ｂ）は、PS制御中に、ステアリングホイール９からのドライバの操舵力に補助操舵力を付加するように転舵モータ２９，３０を駆動するため、PS制御時における転舵モータ２９，３０の負荷がより低減され、さらなる小型軽量化を図ることができる。

実施例３は、転舵装置のステアリングラックとして、前輪の転舵角に対するステアリングホイールの操舵角の比であるステアリングギア比を可変するバリアブルラックを用い、PS制御を開始および終了するときのPS制御中のステアリングギア比を、SBW制御中のステアリングギア比と同等に設定した例である。

図１１は、実施例３のバリアブルラックのギア比特性図であり、バリアブルラックのギア比は、転舵角中立付近に対応する位置のラックピッチが狭く、最大転舵角付近に対応する位置のラックピッチが広く設定され、それ以外の転舵角領域では、転舵角が大きくなるほど小さくなるように設定されている。よって、転舵角中立付近ではギア比が大きくなり、最大転舵角付近ではギア比が小さくなるため、転舵角中立付近の操舵応答はスロー、最大転舵角付近の操舵応答はクイックとなる。また、第１設定舵角Ｙdegと第２設定舵角Ｚdegを含む最大転舵角付近では、ギア比が最小ギア比Ｋとなるように設定されている。

図１２は、実施例３のSBW制御時のギア比特性図である。図１２に示すように、SBW制御時のギア比は、車速が高くなるほど大きくなるように設定され、第１設定車速Ｘkm/hと第２設定車速Ｗkm/hを含む極低速域では、最小ギア比Ｋとなるように設定されている。

図１３は、実施例３のPS制御における転舵指令値演算部４０のアシスト指令値演算方法を示す制御ブロック図である。転舵指令値演算部４０には、車速センサ５０からの車速信号と、反力装置１の舵角センサ６ａ，６ｂからの操舵角信号とが入力される。

転舵指令値演算部４０は、車速信号と操舵角信号とに基づいて、図１３のブロック４０内に示す操舵角に応じたアシスト量マップから、転舵モータアシスト量を演算する。算出された転舵モータアシスト量は、減算器５３へ入力される。

転舵モータアシスト量マップは、運転者の操舵負担を軽減するために、操舵角が大きくなるほどアシスト量が増加するように設定されている。また、高車速域における直進安定性を図るために、車速が高くなるほどアシスト量が小さくなるように設定されている。なお、操舵角が所定値以上のときには、アシスト量を一定とし、ステアリングホイール９の切り過ぎと転舵モータ２９，３０の過熱を防止している。

減算器５３は、転舵モータアシスト量から、ハイパスフィルタ５２を通過した操舵角信号に、任意定数Ｍを乗算した値を減算し、アシスト指令値として転舵モータ駆動部４１へ出力する。

すなわち、ステアリングホイール９の操舵角が大きい場合には、操舵角に比例した値を転舵モータアシスト量から減算することで、過大なアシスト指令値の発生を防止している。

次に、作用を説明する。
［操舵制御処理］
図１４は、実施例３の第１制御コントローラ４ａで実行される操舵制御処理の流れを示すフローチャートで、以下、各ステップについて説明する。なお、ステップS10〜ステップS12、ステップS14、ステップS17〜ステップS21は、図７に示した実施例１のフローチャートのステップステップS0〜ステップS2、ステップS3、ステップS5〜ステップS8と同一の処理を行うため、実施例１と異なるステップのみ説明する。

ステップS13では、右回転を正としたとき、ステアリングホイール９の操舵角速度がゼロよりも小さい、かつ、操舵角がゼロよりも大きいかどうかを判定する。YESの場合にはステップS14へ移行し、NOの場合にはステップS15へ移行する。

ステップS15では、右回転を正としたとき、ステアリングホイール９の操舵角速度がゼロよりも大きい、かつ、操舵角がゼロよりも小さいかどうかを判定する。YESの場合にはステップS14へ移行し、NOの場合にはステップS16へ移行する。

ステップS16では、反力モータ５および第１，第２転舵モータ２９，３０の出力をゼロとし、ステップS19へ移行する。

［操舵制御作動］
極低速域において、前輪２７，２７を最大転舵角付近まで転舵させたとき、切り戻し操舵が行われている場合には、図１４のフローチャートにおいて、ステップS10→ステップS11→ステップS12へと進み、ステップS12において、電磁クラッチ１４が連結される。

このとき、バリアブルラックにおいて、転舵角が第１設定舵角Ｙdegのときのギア比は、SBW制御時のギア比と同一の最小ギア比Ｋであるため、SBW制御からPS制御へ移行する際、ギア比の変化がない。よって、ギア比の変化に伴う操舵感の悪化を防止でき、スムーズな操舵感が得られる。さらに、最小ギア比Ｋでステアリングホイール９とステアリングラック２８とを連結するため、第１，第２転舵モータ２９，３０に過大な負荷をかけることなく、より大きな操舵反力が得られる。

続いて、ステップS12から、ステップS13→ステップS14→ステップS19→ステップS20→ステップS21（左回転時）、またはステップS10→ステップS11→ステップS12→ステップS13→ステップS15→ステップS14→ステップS19→ステップS20→ステップS21（右回転時）へと進み、車速が第２設定車速Ｗkm/h以上、または前輪２７，２７の転舵角が第２設定舵角Ｚdeg以下となるまで、ステップS13→ステップS14→ステップS19→ステップS20→ステップS21（左回転時）、またはステップS13→ステップS15→ステップS14→ステップS19→ステップS20→ステップS21へと進む流れが繰り返され、転舵モータ２９，３０を用いたPS制御が実施される。

切り戻し操舵により転舵角がＺdeg以下となった場合には、ステップS19→ステップS17→ステップS18へと進む流れとなり、電磁クラッチ１４が解放され、PS制御からSBW制御に復帰する。

このとき、バリアブルラックにおいて、転舵角が第２設定舵角Ｚdegのときのギア比は、SBW制御時のギア比と同一の最小ギア比Ｋであるため、PS制御からSBW制御へ移行する際、ギア比の変化がない。よって、ギア比の変化に伴う操舵感の悪化を防止でき、スムーズな操舵感が得られる。

一方、極低速域において、前輪２７，２７を最大転舵角付近まで転舵させたとき、切り増し操舵または保舵が行われている場合には、図１４のフローチャートにおいて、ステップS10→ステップS11→ステップS12→ステップS13→ステップS15→ステップS16→ステップS19→ステップS20→ステップS21へと進む流れとなり、ステップS16において、転舵モータ２９，３０と反力モータ５の出力が共にゼロとされる。

すなわち、切り戻し操舵されているときにはドライバの操舵力をアシストすることにより、ステアリングホイール９が操舵角中立位置へ戻りやすくなり、復元性が高められ、切り増し操舵または保舵されているときにはアシストを停止することにより、第１，第２転舵モータ２９，３０に負荷をかけることなく、操舵反力を得られる。

［SBW→PS制御移行時のギア比可変作用］
一般的に、低速域では、操舵角の低減を目的として、SBW制御時のギア比は低ギア比特性（操舵応答がクイック）である。実施例１，２では、クラッチ連結点（第１設定舵角Ｙdeg）からあらかじめ設定したクラッチ解放点（第２設定舵角Ｚdeg）まではクラッチ連結状態であり、SBW制御と同じ低ギア比にする必要があるが、SBW制御と異なるギア比の場合、クラッチ連結解放点付近での切り増し時とフル転舵からの戻し時で車両挙動が著しく異なり、ドライバへ違和感を与えるという問題が生じる。

この問題を解決するため、実施例３では、据え切り〜極低速時制御のクラッチ連結解放点付近のラックギア比Ｋがクラッチ解放時と同等となるようにバリアブルラックのラックピッチを設定した。

例えば、バリアブルラックでない固定ギア比のラック&ピニオンを用いる場合、このクラッチ連結解放点付近でギア比変化を低減するには、低いギア比のラック&ピニオンを用いる必要があるが、システムフェール時のメカバックアップ状態での高速走行では、ギア比が低過ぎ（操舵応答がクイック過ぎ）運転性が悪化するという問題がある。逆に、高ギア比の場合は、クラッチ連結解放点付近のギア比変化が大きく、ドライバに違和感を与える。

これに対し、実施例３では、バリアブルラックを用いて、操舵中立点付近は高ギア比とし、クラッチ連結解放点付近である転舵角から最大転舵角の間はSBW制御時と同等となるようにバリアブルギア比特性を設定した。これにより、さらに低ギア比となるため、第１，第２転舵モータ２９，３０に過大な負荷をかけることなく、クラッチ連結時においてより大きな操舵反力が得られた。

さらに、クラッチ連結時の切り戻し方向にステアリングホイール９が回転しているときにのみ、PS制御を実施することで、ステアリングホイール９の復元性が悪い車両であっても、問題なく復元させることができるため、運転のし易さを損なわない。

次に、効果を説明する。
実施例３の車両用操舵装置にあっては、実施例１の効果(1)〜(5)に加え、下記に列挙する効果が得られる。

(7) PS制御が開始および終了するとき、PS制御中のステアリングギア比をSBW制御中のステアリングギア比と同一とするギア比可変手段（バリアブルラック）を設けたため、PS制御からSBW制御へ移行するとき、およびSBW制御からPS制御へ移行するときの、ステアリングギア比を同一とすることで、ギア比の変化に伴う操舵感の悪化を防止でき、スムーズな操舵感が得られる。

(8) 第１制御コントローラ４ａ（第２制御コントローラ４ｂ）は、PS制御中、切り戻し操舵されているときには、ステアリングホイール９からのドライバの操舵力に補助操舵力を付加し、切り増し操舵または保舵されているときには、ステアリングホイール９からのドライバの操舵力に補助操舵力を付加しないため、ステアリングホイール９の中立位置復元性がより高められる。

（他の実施例）
以上、本発明を実施するための最良の形態を、実施例１〜３に基づいて説明したが、本発明の具体的な構成は、実施例１〜３に示した構成に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明に含まれる。

例えば、実施例１〜３では、転舵アクチュエータとして２つの転舵モータを設け、これら２つのモータを常に使用する構成を示したが、一方を主モータ、他方を従モータとし、通常制御では主モータのみを用い、主モータがフェールしたときに限り従モータを用いる構成としてもよい。

転舵モータおよび反力モータのモータ回転角を検出する手段としては、エンコーダに代えてレゾルバを用いてもよい。また、モータにDCモータを使用することにより、エンコーダとホールICを省略できる。

実施例１〜３では、バックアップ手段としてケーブル式コラムを用いたが、ケーブル式コラムに代えてシャフト式コラムを用いてもよい。バックアップ手段の電磁クラッチは、通電したときクラッチを解除する方式としてもよい。この構成とすることで、電磁クラッチや制御コントローラへの電源供給が不能となった場合でも、クラッチが締結され、ステアリングホイールとステアリングラックとが機械的に連結されるため、システムの安全性をさらに高めることができる。

実施例３では、ギア比可変手段として、ラックピッチを可変したバリアブルラックを用いた例を示したが、モータ等の可変ギア比アクチュエータを用いて、ステアリングギア比を可変する構成としてもよい。

実施例１の車両用操舵装置を示す全体システム図である。 電磁クラッチ１４の構成を示す断面図である。 ケーブル式コラム１０の構成を説明する断面図である。 トルクセンサ７の構成を説明する断面図である。 実施例１の制御ブロック図である。 実施例１のPS制御における転舵指令値演算部４０のアシスト指令値演算方法を示す制御ブロック図である。 実施例１の第１制御コントローラ４ａで実行される操舵制御処理の流れを示すフローチャートである。 転舵角に対する必要ラック推力（ステアリングラック負荷）の特性図である。 車速に対する必要ラック推力の特性図である。 実施例２のPS制御における転舵指令値演算部４０と反力指令値演算部３８のアシスト指令値演算方法を示す制御ブロック図である。 実施例３のバリアブルラックのギア比特性図である。 実施例３のSBW制御時のギア比特性図である。 実施例３のPS制御における転舵指令値演算部４０のアシスト指令値演算方法を示す制御ブロック図である。 実施例３の第１制御コントローラ４ａで実行される操舵制御処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 反力装置
２ バックアップ装置
３ 転舵装置
４ 制御コントローラ
５ 反力モータ
６ａ，６ｂ 舵角センサ
７ トルクセンサ
８ エンコーダ
９ ステアリングホイール
１０ ケーブル式コラム
１１ アッパコラムシャフト
１４ 電磁クラッチ
２７ 前輪
２８ ステアリングラック
２８ａ ラック
２８ｂ タイロッド
２８ｃ ナックルアーム
２８ｄ ハウジング
２９，３０ 転舵モータ
２９ａ，３０ａ 電流センサ
３０ 転舵モータ
３１ａ，３１ｂ 舵角センサ
３２ トルクセンサ
３３，３４ エンコーダ
３５ａ，３５ｂ ウォームギア
３７ 故障診断部
３８ 反力指令値演算部
３９ 反力モータ駆動部
４０ 転舵指令値演算部
４１ 転舵モータ駆動部
４２ 制御コントローラ診断部
５０ 車速センサ

Claims (8)

1. 操向輪を転舵させる転舵機構と、
   この転舵機構と機械的に切り離されたステアリング操作手段と、
   前記転舵機構とステアリング操作手段とを機械的に連結するバックアップ手段と、
   このバックアップ手段を解放状態にして、前記ステアリング操作手段のステアリング操舵に応じて前記転舵機構を駆動するステア・バイ・ワイヤ制御と、前記バックアップ手段を連結状態にして、前記ステアリング操作手段からのドライバの操舵力に補助操舵力を付加するように前記転舵機構を駆動するパワーステアリング制御と、を行う操舵制御手段と、
   を備え、
   前記操舵制御手段は、前記操向輪の転舵角が所定の第１設定舵角以上となったとき、前記ステア・バイ・ワイヤ制御から前記パワーステアリング制御に移行することを特徴とする車両用操舵装置。
2. 請求項１に記載の車両用操舵装置において、
   前記操舵制御手段は、車速が低いほど、前記第１設定舵角を小さく設定することを特徴とする車両用操舵装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の車両用操舵装置において、
   前記操舵制御手段は、前記パワーステアリング制御中、操向輪の転舵角が前記第１設定舵角よりも小さな所定の第２設定舵角以下となったとき、前記パワーステアリング制御からステア・バイ・ワイヤ制御に移行することを特徴とする車両用操舵装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項の記載の車両用操舵装置において、
   前記ステアリング操作手段に補助操舵反力を与える操舵反力手段を備え、
   前記操舵制御手段は、前記パワーステアリング制御中に、前記ステアリング操作手段からのドライバの操舵力に操舵補助力を付加するように前記転舵機構と前記操舵反力手段を駆動することを特徴とする車両用操舵装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の車両用操舵装置において、
   前記操舵制御手段は、車速が所定の第１設定車速以下となったとき、前記ステア・バイ・ワイヤ制御からパワーステアリング制御に移行することを特徴とする車両用操舵装置。
6. 請求項５に記載の車両用操舵装置において、
   前記操舵制御手段は、前記パワーステアリング制御中、車速が前記第１設定車速よりも高い所定の第２設定車速以上となったとき、前記パワーステアリング制御からステア・バイ・ワイヤ制御に移行することを特徴とする車両用操舵装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の車両用操舵装置において、
   前記パワーステアリング制御が開始および終了するとき、パワーステアリング制御中のステアリングギア比を前記ステア・バイ・ワイヤ制御中のステアリングギア比と同等に設定するギア比可変手段を設けたことを特徴とする車両用操舵装置。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の車両用操舵装置において、
   前記操舵制御手段は、前記パワーステアリング制御中、切り戻し操舵されているときには、前記ステアリング操作手段からのドライバの操舵力に補助操舵力を付加し、切り増し操舵または保舵されているときには、前記ステアリング操作手段からのドライバの操舵力に補助操舵力を付加しないことを特徴とする車両用操舵装置。

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