JP4139157B2 - 車両用操舵制御システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車等の車両の操舵制御システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
車両の操舵装置、特に自動車用の操舵装置において、近年、その更なる高機能化の一端として、操舵ハンドルの操作角(ハンドル操作角)と車輪操舵角とを1:1比率に固定せず、ハンドル操作角の車輪操舵角への変換比(舵角変換比)を車両の運転状態に応じて可変とした、いわゆる可変舵角変換比機構を搭載したものが開発されている。車両の運転状態としては、例えば、車両速度(車速)を例示でき、高速運転時においては舵角変換比を小さくすることにより、ハンドル操作角の増加に対して操舵角が急激に大きくならないようにすれば、高速走行の安定化を図ることができる。他方、低速走行時には、逆に舵角変換比を大きくすることで、一杯まで切るのに必要なハンドルの回転数を減少させることができ、車庫入れや縦列駐車あるいは幅寄せなど、操舵角の大きい運転操作を非常に簡便に行なうことができる。
【0003】
舵角変換比を可変化する機構としては、例えば特開平11−334604号公報に開示されているように、ハンドル軸と車輪操舵軸とを、ギア比が可変な歯車式伝達部にて直結したタイプのものがあるが、この構成は、歯車式伝達部のギア比変更機構が複雑になる欠点がある。そこで、ハンドル軸と車輪操舵軸とを分離し、モータ等のアクチュエータにより車輪操舵軸を回転駆動するタイプのものが、例えば特開平11−334628号公報等に提案されている。具体的には、角度検出部が検出するハンドル操作角と車両運転状態とに応じて定まる舵角変換比とに基づいて、コンピュータ処理により最終的に必要な車輪操舵角を演算し、その演算された車輪操舵角が得られるように、ハンドル軸から機械的に切り離された車輪操舵軸をアクチュエータ(モータ)により回転駆動する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記の操舵制御方式では、車輪操舵軸の舵角制御の精度や円滑性を確保するために、車輪操舵軸の角度位置(操舵軸角度位置)のモニタを正確に行なう必要がある。この角度位置の検出には、ロータリエンコーダ等の角度センサが用いられるが、例えばインクリメント型のエンコーダを用いる場合、絶対角度位置を知るためには、そのパルス出力をカウンタにより計数する必要がある。このカウンタ計測は、エンコーダパルスを一定時間間隔でサンプリングしながら行なわれ、基本的には1つのパルスを受ける毎にカウンタを1つ加算ないし減算する。しかし、急ハンドル時や衝撃発生時にはモータの回転が突発的に急加速し、1回のサンプリング期間中にエンコーダが2パルス分以上回転することがある。しかし、カウンタ側では、これを1サンプリングに対応した1回のパルスとして計数するため、角度検出精度が低下しやすく、これが原因となって舵角制御の精度や円滑性が損なわれる場合がある。
【0005】
本発明は、操舵軸角度位置の検出精度を向上させることにより、舵角制御をより高精度かつ円滑に行なうことができる車両用操舵制御システムを提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
本発明は、操舵用のハンドル軸の操作角と車両の運転状態とに応じて車輪操舵軸に与えるべき操舵角を決定し、当該操舵角が得られるように車輪操舵軸をアクチュエータにより回転駆動するようにした車両用操舵制御システムにおいて、上記の課題を解決するために、
車輪操舵軸の角度位置(操舵軸角度位置)を求めるために、回転体の回転角度位相を識別可能とした角度センサを有し、
角度センサの角度識別パターン出力に基づいて該角度センサの回転方向を識別し、かつ角度識別パターン出力を所定の周期にてサンプリングするとともに、第一のサンプリングと、その第一のサンプリングの次に行なわれる第二のサンプリングとにおいて、検出される角度識別パターンの配列順序における順位を識別し、第一のサンプリングに係る順位から第二のサンプリングに係る順位までの、回転方向を考慮したパターン変化数を求め、さらに、
前記回転方向が正である場合には、カウント値をパターン変化数に対応した数だけ加算し、変化方向が負である場合にはカウント値をパターン変化数に対応した数だけ減算するとともに、そのカウント値により操舵軸角度位置を示す操舵軸角度位置カウンタを設けたことを特徴とする。
【0007】
本発明においては、操舵軸角度位置の検出を、例えば角度識別パターンの種別に基づき回転角度位相を識別可能とした角度センサを用いて行なう(例えば、互いに識別可能な角度識別パターンが回転周方向に所定の配列順序で等角度間隔に形成された回転体を有するもの)。この角度センサを、本発明においては、回転体の角度位相を角度識別パターンの種別により直読できるように構成し、角度識別パターンの変化を操舵軸角度位置カウンタにてカウントし、そのカウント値を操舵軸角度位置として用いる。これは、一種のインクリメント型角度センサの使用方法であるといえるが、角度位相の直読が可能となる利点を併用することにより、通常のインクリメント型角度センサでは不可能な次のような角度検出を行なうことができる。すなわち、相前後する2つの角度識別パターンのサンプリングを行なったとき、角度センサにおけるパターン形成順位において、何パターン進んだか(あるいは戻ったか)を識別すれば、サンプリングインターバルの間に角度センサに生じた回転進角を、パターン変化数により特定できる。そこで、本発明においては、第一のサンプリングに係る順位から第二のサンプリングに係る順位までの、回転方向を考慮したパターン変化数及び変化方向を求め、変化方向が正である場合には、カウント値をパターン変化数に対応した数だけ加算し、変化方向が正である場合にはカウント値をパターン変化数に対応した数だけ減算する。これにより、急ハンドル時や衝撃発生時にはモータの回転が突発的に急加速して、1回のサンプリング期間中に角度センサが2パターン分以上回転しても、パターン変化数に応じた適切なカウンタの加算ないし減算を行なうことができるので、角度位置確定精度を高めることができ、ひいては舵角制御の精度や円滑性を向上させることができる。
【0008】
なお、運転中に操舵系が衝撃を受けたりすると、駆動用のモータが瞬間的に大きな角度回転し元の位置に戻ってくるなど、ハンドル操作とは無関係な車輪操舵軸の回転乱れが生ずる場合がある。このような乱れは、操舵軸角度位置を確定する際にできるだけ排除したほうが、舵角制御の精度や円滑性を向上させる上でより望ましい。この場合、上記本発明においては、第一のサンプリングと第二のサンプリングとの間のパターン変化数の絶対値が基準数(パターン変化基準数)を超えた場合に、該パターン変化数を操舵軸角度位置カウンタのカウント値に加算又は減算する処理を禁止するカウント禁止処理を行なうカウンタ制御手段を設けることができる。このようなカウンタ制御手段の機能により、モータに突発的に大きな進角が生じたとき、これを異常として排除でき、ひいては操舵軸角度位置確定精度を高めることができる。
【0009】
なお、急ハンドルを切った場合は、モータの回転速度が大きくなっても別に異常ではなく、サンプリングインターバルにおいても、モータの回転に相応の進角が見込まれる。このような場合にも上記カウント禁止処理を一律に行なうと、輪操舵軸の角度位置確定精度が却って損なわれることもありえる。そこで、角度センサの回転体の角速度を算出する角速度検出手段を設け、カウンタ制御手段は、算出される角速度に応じてカウント禁止処理を行なうための条件設定を変化させるものとして構成することができる。これにより、カウント禁止処理がモータ回転数と無関係に一律になされる心配がなくなり、ひいてはモータ回転数に応じて常に妥当な操舵軸角度位置確定処理(カウンタの加算ないし減算処理)を行なうことができる。具体的には、角速度が大きくなるほど、カウント禁止処理を行なうためのパターン変化基準数を大きく設定することができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図1は、本発明が適用される車両用操舵制御システムの、全体構成の一例を模式的に示したものである(なお、本実施形態において「車両」は自動車とするが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではない)。該車両用操舵制御システム1は、操舵用ハンドル2に直結されたハンドル軸3と、車輪操舵軸8とが機械的に分離された構成を有する。車輪操舵軸8はアクチュエータとしてのモータ6により回転駆動される。車輪操舵軸8の先端はステアリングギアボックス9内に延び、該車輪操舵軸8とともに回転するピニオン10がラックバー11を軸線方向に往復動させることにより、車輪13,13の転舵角が変化する。なお、本実施形態の車両用操舵制御システム1においては、ラックバー11の往復動が、周知の油圧式、電動式あるいは電動油圧式のパワーアシスト機構12により駆動補助されるパワーステアリングが採用されている。
【0011】
ハンドル軸3の角度位置φは、ロータリエンコーダ等の周知の角度検出部からなるハンドル軸角度検出部101により検出される。他方、車輪操舵軸8の角度位置θは、同じくロータリエンコーダ等の角度検出部からなる操舵軸角度検出部103により検出される。また、本実施形態においては、自動車の運転状態を検出する運転状態検出部として、車速Vを検出する車速検出部(車速センサ)102が設けられている。車速検出部102は、例えば車輪13の回転を検出する回転検出部(例えばロータリエンコーダやタコジェネレータ)で構成される。そして、操舵制御部100が、検出されたハンドル軸3の角度位置φと車速Vとに基づいて、車輪操舵軸8の目標角度位置θ’を決定し、該車輪操舵軸8の角度位置θが目標角度位置θ’に近づくように、モータドライバ18を介してモータ6の動作を制御する。
【0012】
なお、ハンドル軸3と車輪操舵軸8との間には、両者を一体回転可能にロック結合したロック状態と、該ロック結合を解除したアンロック状態との間で切り替え可能なロック機構19が設けられている。ロック状態では、ハンドル軸3の回転角が変換されることなく(つまり、舵角変換比が1:1)車輪操舵軸8に伝達され、マニュアルステアリングが可能となる。該ロック機構19のロック状態への切り替えは、異常発生時などにおいて操舵制御部100からの指令によりなされる。
【0013】
図2は、モータ6による車輪操舵軸8の駆動部ユニットの構成例を、自動車への取付状態にて示すものである。該駆動部ユニット14において、ハンドル2(図1)の操作によりハンドル軸3を回転させると、モータケース33がその内側に組み付けられたモータ6とともに一体的に回転するようになっている。本実施形態においては、ハンドル軸3は、ユニバーサルジョイント319を介して入力軸20に連結され、該入力軸20がボルト21,21を介して第一カップリング部材22に結合されている。この第一カップリング部材22にはピン31が一体化されている。他方、ピン31は、第二カップリング部材32の一方の板面中央から後方に延びるスリーブ32a内に係合してはめ込まれている。他方、筒状のモータケース33は、第二カップリング部材32の他方の板面側に一体化されている。なお、符号44はゴムあるいは樹脂にて構成されたカバーであり、ハンドル軸3と一体的に回転する。また、符号46は、コックピットパネル48に一体化された駆動部ユニット14を収容するためのケースであり、符号45は、カバー44とケース46との間をシールするシールリングである。
【0014】
モータケース33の内側には、コイル35,35を含むモータ6のステータ部分23が一体的に組み付けられている。該ステータ部分23の内側には、モータ出力軸36がベアリング41を介して回転可能に組み付けられている。また、モータ出力軸36の外周面には永久磁石からなる電機子34が一体化されており、この電機子34を挟む形でコイル35,35が配置されている。なお、コイル35,35からは、モータケース33の後端面に連なるように給電端子50が取り出され、該給電端子50において給電ケーブル42によりコイル35,35に給電がなされる。
【0015】
後述の通り、本実施形態においてモータ6はブラシレスモータであり、給電ケーブル42は、該ブラシレスモータの各相のコイル35,35に個別に給電する素線を集合させた帯状の集合ケーブルとして構成されている。そして、モータケース33の後端側に隣接する形でハブ43aを有するケーブルケース43が設けられ、その中に給電ケーブル42が、ハブ43aに対してゼンマイ状に巻かれた形で収容されている。給電ケーブル42の、給電端子50に接続されているのと反対の端部は、ケーブルケース43のハブ43aに固定されている。そして、ハンドル軸3がモータケース33ひいては給電端子50とともに正方向又は逆方向に回転すると、ケーブルケース43内の給電ケーブル42は、ハブ43aへの巻き付き又は繰り出しを生じさせることにより、上記モータケース33の回転を吸収する役割を果たす。
【0016】
モータ出力軸36の回転は、減速機構7を介して所定比率(例えば1/50)に減速された上で車輪操舵軸8に伝達される。本実施形態において減速機構7は、ハーモニックドライブ減速機にて構成してある。すなわち、モータ出力軸36には、楕円型のインナーレース付ベアリング37が一体化され、その外側に変形可能な薄肉の外歯車38がはめ込まれている。そして、この外歯車38の外側に、カップリング40を介して車輪操舵軸8が一体化された内歯車39,139が噛み合っている。内歯車39,139は、同軸的に配置された内歯車(以下、第一内歯車ともいう)39と内歯車(以下、第二内歯車ともいう)139とからなり、第一内歯車39がモータケース33に固定されて該モータケース33と一体回転する一方、第二内歯車139はモータケース33に非固定とされ、該モータケース33に対して相対回転可能とされている。第一内歯車39はこれと噛み合う外歯車38との歯数差がゼロであり、外歯車38との間での相対回転を生じない(つまり、回転するモータ出力軸36に対して、第一内歯車39ひいてはモータケース33及びハンドル軸3が、遊転可能に結合されているともいえる)。他方、第二内歯車139は外歯車38よりも歯数が大きく(例えば2)、内歯車139の歯数をN、外歯車38と内歯車139との歯数差をnとすると、モータ出力軸36の回転をn/Nに減速した形で車輪操舵軸8に伝達する。また、内歯車39,139は、本実施形態においては、コンパクト化を図るために、ハンドル軸3の入力軸20、モータ出力軸36及び車輪操舵軸8が同軸的に配置されている。
【0017】
次に、ロック機構19は、ハンドル軸3に対して相対回転不能なロックベース部(本実施形態においてはモータケース33)側に固定されたロック部材51と、ロック受けベース部(本実施形態においては、モータ出力軸36側)に設けられたロック受け部材52とを有する。図3に示すように、ロック部材51は、ロック受け部材52に形成されたロック受け部53に係合するロック位置と、該ロック受け部53から退避したアンロック位置との間で進退可能に設けられている。本実施形態においては、車輪操舵軸8と一体的に回転するロック受け部材52の周方向にロック受け部53が所定の間隔で複数形成され、ロック部材51の先端に設けられたロック部51aが、車輪操舵軸8の回転角位相に応じて、それら複数のロック受け部53の任意の1つのものに選択的に係合するようになっている。ハンドル軸3はモータケース33に対し(本実施形態では、カップリング22及びピンにより)相対回転不能に結合されている。ロック部材51とロック受け部材52とが非係合(非ロック状態)の場合は、モータ出力軸36はモータケース33に対して回転し、その回転が外歯車38を経て第一内歯車39及び第二内歯車139にそれぞれ伝達される。モータケース33に固定された第一内歯車39は、前述の通り外歯車38に対して相対回転しないので、結果的にハンドル軸3と同速で回転する(つまり、ハンドル操作に追従して回転する)。また、第二内歯車139は、モータ出力軸36の回転を車輪操舵軸8に減速して伝達し、車輪操舵軸8の回転駆動を担う。他方、ロック部材51とロック受け部材52とが係合してロック状態になると、モータ出力軸36はモータケース33に対して相対回転不能となる。そして、減速機構7の内歯車39,139のうち、第一内歯車39がモータケース33に固定されているから、第一内歯車39、外歯車38及び第二内歯車139の順でハンドル軸3の回転が車輪操舵軸8に直接伝達されることとなる。
【0018】
なお、本実施形態においては、ロック受け部材52は、モータ出力軸36の一端の外周面に取り付けられ、各ロック受け部53は、該ロック受け部材52の外周面から半径方向に切れ込む凹状に形成されている。また、図2に示すように、ロック部材51は、モータケース33に設けられた回転ベース300に対し、車輪操舵軸8とほぼ平行な軸線周りに回転可能に取り付けられ、その後端部55aが結合されている。また、ソレノイド55の付勢が解除されたときに、ロック部材51を元の位置に弾性復帰させる弾性部材54が設けられている。ソレノイド55の付勢及び付勢解除の動作により、ソレノイド55aの先端に設けられた凸部55aとロック部材51の一端部51bに形成された溝部を介してロック部材51の先端に形成されたロック部51aが、前記したロック/アンロックのためにロック受け部材52に対し接近/離間する。なお、ソレノイド55の付勢時がロック状態となるかアンロック状態となるかは選択可能であるが、本実施形態では、ソレノイド55の付勢時にアンロックとなるように定めてある。これによると、電源遮断時等においてソレノイド55が付勢解除されたとき、弾性部材54の作用によりロック状態となり、マニュアル操舵が可能となる。
【0019】
図4は、操舵制御部100の電気的構成の一例を示すブロック図である。操舵制御部100の要部をなすのは2つのマイコン110及び120である。主マイコン110は、主CPU111、制御プログラムを格納したROM112、CPU111のワークエリアとなる主CPU側RAM113及び入出力インターフェース114を有する。また、副マイコン120は、副CPU121、制御プログラムを格納したROM122、副CPU121のワークエリアとなる副CPU側RAM123及び入出力インターフェース124を有する。車輪操舵軸8を駆動するモータ6(アクチュエータ)の動作制御を直接行なうのは主マイコン110であり、副マイコン120は、必要なパラメータ演算等、モータ6の動作制御に必要なデータ処理を主マイコン110と並行して行なうとともに、そのデータ処理結果を主マイコン110との間で通信することにより、主マイコン110の動作が正常であるかどうかを監視・確認し、必要に応じて情報の補完を行なう補助制御部としての機能を果たす。本実施形態において主マイコン110と副マイコン120とのデータ通信は、入出力インターフェース114,124間の通信によりなされる。なお、両マイコン110及び120は、自動車の運転終了後(すなわち、イグニッションOFF後)においても、図示しない安定化電源からの電源電圧Vcc(例えば+5V)の供給を受け、RAM113,123あるいはEEPROM(後述)115の記憶内容が保持されるようになっている。
【0020】
ハンドル軸角度検出部101、車速検出部102及び操舵軸角度検出部103の各出力は、主マイコン110及び副マイコン120の入出力インターフェース114,124にそれぞれ分配入力される。本実施形態では、いずれの検出部もロータリエンコーダで構成され、そのエンコーダからの計数信号が図示しないシュミットトリガ部を経て入出力インターフェース114,124のデジタルデータポートに直接入力されている。また、主マイコン110の入出力インターフェース114には、前述のロック機構19の駆動部をなすソレノイド55が、ソレノイドドライバ56を介して接続されている。
【0021】
モータ6はブラシレスモータ、本実施形態では3相ブラシレスモータにて構成されている。図2に示すコイル35,35は、図5に示すように、120゜間隔で配置された3相のコイルU,V,Wからなり、これらのコイルU,V,Wと、電機子34との相対的な角度関係が、モータ内に設けられた角度センサをなすホールICにより検出される。そして、これらホールICの出力を受けて、図1のモータドライバ18は、図5に示すように、コイルU,V,Wの通電を、W→U(1)、U→V(3)、V→W(5)のごとく循環的に順次切り替える(正方向回転の場合:逆方向回転の場合は、上記の逆順のスイッチングとなる)。図8(b)に、正方向回転の場合の、各相のコイルの通電シーケンスを示している(「H」が通電、「L」が非通電を表す:逆方向回転の場合は、図の左右を反転したシーケンスとなる)。図中の括弧書きの数字は、図5の対応する番号における電機子34の角度位置を表している。
【0022】
図4に戻り、モータ6の回転制御は、上記コイルU,V,Wの各相の通電切り替えシーケンスに、駆動制御部100(本実施形態では、主マイコン110)からのPWM信号によるデューティ比制御シーケンスが重畳された形で行なわれる。図7は、モータドライバ18の回路例を示すもので、コイルU,V,Wの各端子u,u’,v,v’,w、w’に対応したFET(半導体スイッチング素子)75〜80が、周知のH型ブリッジ回路を構成するように配線されている(符号87〜92は、コイルU,V,Wのスイッチングに伴なう誘導電流のバイパス経路を形成するフライホイールダイオードである)。ANDゲート81〜86によりモータ側のホールIC(角度センサ)からのスイッチング信号と駆動制御部100からのPWM信号との論理積信号を作り、これを用いてFET75〜80をスイッチング駆動すれば、通電に関与する相のコイルを選択的にPWM通電することができる。なお、PWM通電の方式によっては、H型ブリッジ回路の上段(75,77,79)あるいは下段(76,78,80)のFETにのみPWM信号を入力すればよく、この場合は、ANDゲート81〜86のうち対応するものを省略して、ホールICからのスイッチング信号を直接入力するように構成することができる。
【0023】
なお、駆動制御部100側においてFET75〜80にPWM信号を順次与えるためのタイミングは、ホールIC(角度センサ)からの信号を駆動制御部100に分配することにより認識させてもよいが、本実施形態では、別途、角度センサとしてのロータリエンコーダを用いてこれを検出している。このロータリエンコーダはモータ出力軸36の回転角度を検出するものであり、その角度検出値は減速後の車輪操舵軸8の角度位置と一義的な対応関係を有する。そこで、本実施形態では、このロータリエンコーダを操舵軸角度検出部103として利用する。
【0024】
図8(a)は、上記のロータリエンコーダを模式的に示すもので、ブラシレスモータの通電シーケンスを制御するために、時系列的な出現順序が定められたコイル通電パターンを各々特定するためのビットパターン(角度識別パターン)が、円板の周方向に一定の角度間隔で形成されたものである。本実施形態においてビットパターンは、図面中ハッチング領域で示すスリットであり、回転体をなす円板の周方向に区間を定めて形成されたスリット群が、円板の半径方向に複数組(本実施形態では3組)形成されている。検出部としては、各スリット群に対応した図示しない透過型光センサ(例えばフォトカプラなど)が用いられ、半径方向の各スリット郡の形成位置において、スリットが検出されるか否かの組合せにより、円板の回転角度位相を示すビットパターンを出力する。
【0025】
本実施形態においては、3相ブラシレスモータを使用しているので、図8(b)に示すコイルU,V,Wの通電シーケンスが得られるように、その(1)〜(6)(図5参照)の通電パターンに対応した6種類のビットパターンが、円板の周方向に60゜間隔で形成されている。従って、モータ6の電機子34が回転すると、これと同期回転する上記ロータリエンコーダからは、現在通電されるべきコイルを特定するビットパターンが刻々出力される。そこで、駆動制御部100は、このエンコーダのビットパターンを読み取ることにより、PWM信号を送るべきコイルの端子(すなわち、図7のFET75〜80)を自発的に決定することができる。
【0026】
モータ出力軸36の回転は減速されて車輪操舵軸8に伝達されるから、車輪操舵軸8が1回転する間に、ロータリエンコーダが設けられるモータ出力軸36は複数回回転する。従って、モータ出力軸36の絶対角度位置のみを示すエンコーダのビットパターンからは、車輪操舵軸8の絶対角度位置を知ることはできない。従って、図4に示すように、RAM113(123)内に、ビットパターン変化の検出回数を計数するカウンタ(操舵軸角度位置カウンタ)を形成し、操舵軸角度位置(θ)をそのカウント数から求めるようにしてある。従って操舵軸角度検出部103は、機能的にはインクリメント型ロータリエンコーダに相当するものとみなすことができる。なお、モータ出力軸36(モータ6の電機子)の絶対角度位置についてはビットパターンの種別により読み取ることができるから、そのビットパターンの変化順序をモニタすれば、モータ出力軸36ひいては車輪操舵軸8の回転方向(すなわち、ハンドルを切る向きである)を知ることができる。従って、車輪操舵軸8の回転方向が正であれば上記のカウンタを加算し、逆であればカウンタを減算する。
【0027】
モータドライバ18には、モータ6の電源となる車載バッテリー57が接続されている。モータドライバ18が受電するバッテリー57の電圧(電源電圧)Vsは、自動車の各所に分散した負荷の状態や、オルターネータの発電状態により随時変化する(例えば9〜14V)。本実施形態においては、このような変動するバッテリー電圧Vsを、安定化電源回路を介さず、モータ電源電圧として直接使用する。操舵制御部100は、このように相当幅にて変動する電源電圧Vsの使用を前提として、モータ6の制御を行なうので、電源電圧Vsの測定部が設けられている。本実施形態では、モータ6への通電経路(ドライバ13の直前)から電圧測定用の分岐経路が引き出され、そこに設けられた分圧抵抗60,60を経て電圧測定信号を取り出している。該電圧測定信号はコンデンサ61により平滑化された後、電圧フォロワ62を経て入出力インターフェース114,124のA/D変換機能付入力ポート(以下、A/Dポートという)に入力される。
【0028】
また、過電流発生の有無など、モータ6の通電状態を監視するために、モータ6への通電経路上に電流検出部が設けられている。具体的には、経路上に設けられたシャント抵抗(電流検出抵抗)58の両端電圧差を電流センサ70により測定し、入出力インターフェース114,124のA/Dポートに入力するようにしている。電流センサ70は、例えば図6に示すように、シャント抵抗58の両端電圧を、電圧フォロワ71,72を介して取り出し、オペアンプ73と周辺の抵抗器74とからなる差動増幅器75により増幅して出力するものである。差動増幅器75の出力は、シャント抵抗58を流れる電流値に比例したものとなるので、これを電流測定値Isとして用いることができる。なお、シャント抵抗以外にも、ホール素子や電流検出コイルなど、電磁的な原理に基づいて電流検出するプローブを用いてもよい。
【0029】
図4に戻り、両マイコン110,120のRAM113,123には、それぞれ以下のようなメモリエリアが形成されている。
(1)車速測定値メモリ:車速センサ102からの現在の車速の測定値を記憶する。
(2)ハンドル軸角度位置(φ)カウンタメモリ:ハンドル軸角度位置検出部101をなすロータリエンコーダからの計数信号をカウントし、ハンドル軸角度位置φを示すそのカウント値を記憶する。なお、ロータリエンコーダは回転方向の識別が可能なものを使用し、正方向回転の場合はカウンタを加算し、逆方向回転の場合は減算する。
(3)舵角変換比(α)算出値メモリ:車速測定値に基づいて算出された舵角変換比αを記憶する。
(4)目標操舵軸角度位置(θ’)算出値メモリ:現在のハンドル軸角度位置φと舵角変換比αとの値から、例えばφ×αにより算出された操舵軸角度位置の目標値、すなわち目標操舵軸角度位置θ’の値を記憶する。
(5)操舵軸角度位置(θ)カウンタメモリ:操舵軸角度検出部103をなすロータリエンコーダからの計数信号をカウントし、操舵軸角度位置θを示すそのカウント値を記憶する。
(6)前回検出ビットパターン:前回の操舵軸角度位置を与えるビットパターンを記憶する。
(7)今回検出ビットパターン:前回の操舵軸角度位置を与えるビットパターンを記憶する。
(8)Δθ算出値メモリ:目標操舵軸角度位置θ’と現在の操舵軸角度位置θとの隔たりΔθ(=θ’−θ)の算出値を記憶する。
(9)電源電圧(Vs)測定値メモリ:モータ6の電源電圧Vsの測定値を記憶する。
(10)デューティ比(η)決定値メモリ:モータ6をPWM通電するための、Δθと電源電圧Vsとに基づいて決定されたデューティ比ηを記憶する。
(11)電流(Is)測定値:電流センサ70による電流Isの測定値を記憶する。
(12)モータ角速度測定値:モータの角速度の測定値を記憶する。
【0030】
また、主マイコン110の入出力インターフェース114には、運転終了時(つまり、イグニッションOFF時)における車輪操舵軸8の角度位置、すなわち終了角度位置を記憶するためのEEPROM115が第二の記憶部として設けられている。該EEPROM115(PROM)は、主CPU111が主CPU側RAM112に対するデータ読出し/書込みを行なう第一の動作電圧(+5V)においては、主CPU111によるデータの読出しのみが可能であり、他方、第一の動作電圧(+5V)とは異なる第二の動作電圧(本実施形態では、第一の動作電圧より高い電圧が採用される:例えば+7V)を設定することにより主CPU111によるデータの書込みが可能となるものであり、主CPU111が暴走しても内容が誤って書き換えられることがない。第二の動作電圧は、EEPROM115と入出力インターフェース114との間に介在する図示しない昇圧回路によって生成される。
【0031】
以下、車両用操舵制御システム1の動作について説明する。
図12には、主マイコン110による制御プログラムの主ルーチンの処理の流れを示すものである。S1は初期化処理であり、前回イグニッションスイッチをOFFにしたときの終了処理にてEEPROM115に書き込まれている車輪操舵軸8の終了角度位置(後述)を読み出し、該終了角度位置を、処理開始に際しての車輪操舵軸8の初期角度位置として設定することを要旨とする。具体的には、終了角度位置を示すカウンタ値を、前述の操舵軸角度位置(θ)カウンタメモリにセットする。なお、後述するEEPROM115へのデータ書込み完了フラグは、この時点でクリアしておく。
【0032】
初期化処理が終了すれば、S2に進んで操舵制御処理となる。該操舵制御処理は、パラメータサンプリングの間隔を均一化するために、一定の周期(例えば数百μs)にて繰り返し実行される。その詳細を、図13により説明する。S201においては、現在の車速Vの測定値をリードし、次いでS202ではハンドル軸角度位置φをリードする。そして、S203においては、車速Vの算出値から、ハンドル軸角度位置φを目標操舵軸角度位置θ’に変換するための舵角変換比αを決定する。舵角変換比αは、車速Vに応じて異なる値が設定される。具体的には、図10に示すように、車速Vが一定以上に大きい状態では、舵角変換比αは小さく設定され、車速Vが一定以下に小さい低速走行時には舵角変換比αは大きく設定される。本実施形態では、図9に示すような、種々の車速Vに対応した舵角変換比αの設定値を与えるテーブル130をROM112(122)に格納しておき、このテーブル130を参照して現在の車速Vに対応する舵角変換比αを補間法により算出する。なお、本実施形態においては、車両の運転状態を示す情報として車速Vを用いているが、これ以外にも、車両が受ける横圧や路面の傾斜角等を車両の運転状態を示す情報としてセンサにより検出し、その検出値に応じて舵角変換比αを特有の値に設定することが可能である。また、車速Vに応じて舵角変換比αの基本値を決定し、上記のような車速以外の情報に基づいて、その基本値を随時補正して使用することも可能である。
【0033】
S204では、検出されたハンドル軸角度位置φに、決定された舵角変換比αを乗じて目標操舵軸角度位置θ’を算出する。そして、S205において、現在の操舵軸角度位置θを読み取る。この操舵軸角度位置θは、具体的には以下のようにして行っている。まず、操舵軸角度位置θは、図8のロータリエンコーダからのビットパターンの変化を計数信号として、操舵軸角度位置カウンタにより計数し、その計数値によって与えられる。ビットパターンが変化したかどうかは、前回周期にて検出したビットパターンをメモリ記憶ないしハードウェア的にラッチしておき、次に入るビットパターンと照合したとき、両者が一致したかどうかにより検出できる。前述の通り、各ビットパターンはエンコーダの円板の回転位相を個別に表すものであるから、円板の回転方向によりビットパターンの変化シーケンスも変わる。例えば、ビットパターンがその前後のビットパターンのいずれに変化したかを見て回転方向を識別し、カウンタ値を加算するか減算するかを決める。
【0034】
そして、ビットパターンが変化していた場合、本実施形態では図14に示す流れにより、操舵軸角度位置カウンタの更新処理(角度決定処理)がなされる。まず、S301では、エンコーダからのビットパターンのサンプリングを行なう(第二のサンプリング)。他方、現在の処理の1つ前のサイクルにて行なわれたビットパターンのサンプリング結果もRAM113(123)に記憶されており(第一のサンプリング)、S302では、今回サンプリングされたビットパターンと前回サンプリングされたビットパターンとを比較する(両サンプリングのビットパターンは、図4に示すように、RAM113(123)内の所定のメモリエリアに格納される)。具体的には、図8(b)に示すビットパターンの順位(パターン順位(エンコーダ角度位置);番号1〜6)において、各サンプリングに係るパターン順位を求め、両者の差を演算する。S303では、S302で求めた差により、前回サンプリングされたビットパターンから今回サンプリングされたビットパターンに至るまでに、ビットパターンがいくつ変化したか,すなわちパターン変化数を求める。
【0035】
図14のS304では、パターン変化数に応じて、カウンタ更新処理内容を選択する。選択した処理がカウント禁止処理でなかった場合、具体的には、サンプリングインターバルにおけるパターン変化数の絶対値が、あるパターン変化基準数を超えない場合は、S305に進み、パターン変化数に応じてカウンタの加算ないし減算を行なう。他方、パターン変化数の絶対値が、基準数を超えた場合には、該パターン変化数を操舵軸角度位置カウンタのカウント値に加算又は減算する処理を禁止するカウント禁止処理を行なう(すなわち、主CPU111(あるいは副CPU112)は、カウント制御手段の機能をプログラム処理により実現している)。ここでいうパターン変化数は、回転方向を考慮したパターン変化数(以下、実効パターン変化数という:実際に行なうカウンタ更新数に対応し、符合が正のときはカウンタを加算し、正のときはカウンタを減算する)であり、以下に説明するような原理にて算出されている。
【0036】
すなわち、前回サンプリング時のパターン順位をQ1とし、今回サンプリング時のパターン順位をQ2とし、さらに、総順位数をNT、パターン変化数をδN≡Q2−Q1、実効パターン変化数をYとして、
(A)|δN|<NT/2のとき
δNの符号が正であればY=|δN|とし、負のときはY=−|δN|とする。δNの符号が回転方向そのものを示すことになる。
(B)|δN|>NT/2のとき
δNの符号が示す方向を回転方向とみなすと、エンコーダ(角度センサ:あるいはモータ)は1サンプリング間に1/2回転以上したことになるが、これは異常な高速回転を意味するので、むしろ、δNの符号が示す方向と逆向きに回転したのだ、と考えるのが自然である(つまり、δNの符号の逆が回転方向を示す)。従って、(A)とは逆に、δNの符号が正であればY=−(NT−|δN|)とし、負のときはY=NT−|δN|とする。
【0037】
このように、2つのサンプリングによるパターン順位間差分をδNとしたとき、|δN|とNT/2との大小関係とδNの符号とに基づいて、回転方向を識別することができる。なお、NT/2が整数になりえる場合は、|δN|=NT/2のとき、いずれの方向に回転したのかが特定できない。この場合、このδNはカウンタの更新に用いない、という方法と、直近の過去のサンプリングにて回転方向が決定可能だった場合に、その回転方向を援用する方法との2通りがありえる。表1にカウンタ更新処理内容の設定例を示す。
【0038】
【表1】
【0039】
本実施形態では、3相のモータを使用しており、エンコーダは、相切り替えに必要なモータ6の6つの角度位置(図5)を検出する角度センサも兼ねている。従って、総順位数NTは6であり、各パターン順位間差分δNの値に対応する実効パターン変化数Yの値を、前記(A)及び(B)に記載した原理により定めてある。なお、当然のことながら、δNがゼロであればモータが回転していないから、カウンタの更新は行なわない。そして、実効パターン変化数Y(回転方向を考慮したパターン変化数)の基準数(絶対値)を2として、この基準数までは、実効パターン変化数Yだけカウンタを加算(符号が負であれば減算)する更新処理を行なう。他方、δN=3に対応するYの値は3であるが、これは基準数(2)を超えるので、異常判定として、カウンタの更新を行なわない。なお、δN=3となる場合は、前述のNT/2が整数となる場合に相当し、ここではYをカウンタ更新に使用しない方式が選択されたことになる。
【0040】
なお、上記の態様では、モータ角速度ω(回転速度)によらず、実効パターン変化数Yが基準数を超えたときはカウント禁止処理を一律に行なうようにしていた。しかし、以下のように、モータ角速度ωに応じて基準数の設定を変える処理を行なうこともできる。具体的には、操舵軸角度位置カウンタが示す角度位置の時間変化から算出され、図4に示すように、RAM113(123)内の所定のメモリに記憶される。本実施形態では、このモータ角速度ω大きくなるほど、カウント禁止処理を行なうためのパターン変化基準数を大きく設定するようにする。例えば、表2及び表3に示す例では、以下のような処理を行なう。
【0041】
【表2】
【0042】
【表3】
【0043】
すなわち、モータ角速度ωの範囲に対し、第一角速度範囲(境界値ωsとして、ω<ωs;ωsは例えば5rad/s)と、該第一角速度範囲に対し高角速度側に隣接する第二角速度範囲(ω>ωs:なお、ωsはどちらかの範囲に含めればよい)とが設定され、パターン変化基準数(絶対値)が、該第一角速度範囲に対しては予め定められた第一の値(表1:ここでは「1」である)に設定され、第二角速度範囲においては、該第一の値より大きくなるように予め定められた第二の値(表2:ここでは「2」である)に設定される。つまり、モータの回転に相応の進角が見込まれる第二角速度範囲では、より絶対値の大きな実効パターン変化数までカウンタ更新処理への使用が許容されている。
【0044】
また、モータ角速度ωがより大きい領域では、測定されるモータ角速度ωが予め定められた基準角速度を超えた場合に、実効パターン変化数(回転方向を考慮したパターン変化数)によらずカウント禁止処理を行なわないように処理することもできる。例えば、急ハンドル時など、相当のモータ角速度ωが見込まれる場合に限って、算出される実効パターン変化数をそのままカウンタの更新に用いることにより、操舵軸角度位置の確定精度をより高めることができる。表4〜表7にその設定例を示す。
【0045】
【表4】
【0046】
【表5】
【0047】
【表6】
【0048】
【表7】
【0049】
ここでは、モータ角速度ωの範囲に対し、第一角速度範囲(ωs>ω)と、該第一角速度範囲に対し高角速度側に隣接する第二角速度範囲(ωs2>ω>ωs1)と、第一角速度範囲に対し高角速度側に隣接する第三角速度範囲(ω>ωs2)とが設定されている。表4に示すように、第一角速度範囲に対しては、実効パターン変化数に対するパターン変化基準数(絶対値)が、予め定められた第一の値(1)に設定される。また、表5に示すように、第二角速度範囲においては、パターン変化基準数が、前記第一の値より大きくなるように予め定められた第二の値(2)に設定される。そして、表6及び表7に示すように、第三角速度範囲においては、実効パターン変化数(パターン変化数)Yの値によらずカウント禁止処理を行なわないようになっている。このように、モータ角速度ωに応じて3段階にパターン変化基準数を変化させることにより、操舵軸角度位置の確定精度をさらに高めることができる。なお、第三角速度範囲においては、表6に示すように、先行する予め定められたサンプリング時(例えば1回前)における回転方向が正であれば、|δN|及びNT−|δN|の値の大きいものを実効パターン変化数Yとして採用する。また、表7に示すように、先行する予め定められたサンプリング時(例えば1回前)のサンプリング時における回転方向が負のときは、|δN|及びNT−|δN|の値の小さいものの負数化した値を実効パターン変化数Yとして採用する。これは、急ハンドル操作等によりモータが高速回転する状況では、モータは、常に低速回転状態から高速回転状態へ推移する形となるので、先行する低速回転時の回転方向が、その後の高速回転時の回転方向にも引き継がれることを利用したものである。
【0050】
さて、以上説明したように操舵軸角度位置カウンタの値が確定されれば、図13に戻り、S206にて、確定後の操舵軸角度位置カウンタから求められた操舵軸角度位置θと目標操舵軸角度位置θ’との隔たりΔθ(=θ’−θ)を算出する。さらにS207においては、現在の電源電圧Vsの測定値を読み取る。モータ6は、目標操舵軸角度位置θ’と現在の操舵軸角度位置θとの差Δθが縮小するように車輪操舵軸8を回転駆動する。そして、操舵軸角度位置θが目標操舵軸角度位置θ’に迅速かつスムーズに近づくことができるように、Δθが大きいときはモータ6の回転速度を大きくし、逆にΔθが小さいときはモータ6の回転速度を小さくする。基本的にはΔθをパラメータとした比例制御であるが、オーバーシュートやハンチング等を抑制し、制御の安定化を図るために、Δθの微分あるいは積分を考慮した周知のPID制御を行なうことが望ましい。
【0051】
モータ6は前述の通りPWM制御されており、回転速度は、そのデューティ比ηを変更することにより調整される。電源電圧Vsが一定であれば、デューティ比により回転速度をほぼ一義的に調整できるが、本実施形態では前述の通り電源電圧Vsは一定でない。従って、電源電圧Vsも考慮してデューティ比ηを定めるようにする(S208)。例えば、図11に示すように、種々の電源電圧VsとΔθとの各組合せに対応したデューティ比ηを与える二次元のデューティ比変換テーブル131をROM112(122)に格納しておき、電源電圧Vsの測定値とΔθの算出値に対応するデューティ比ηの値を読み取って用いることができる。なお、モータ6の回転速度は負荷によっても変動する。この場合、電流センサ70によるモータ電流Isの測定値を元に、モータ負荷の状態を推定し、デューティ比ηを補正して用いることも可能である。
【0052】
ここまでの処理は、図4の主マイコン110(主CPU111)と副マイコン120(副CPU121)との双方にて並列的に実行される。例えば、主マイコン110の動作が正常であるかどうかは、主マイコン110のRAM113に記憶された各パラメータの演算結果を副マイコン120に随時転送し、副マイコン120側にて、RAM123の記憶内容と照合することにより、異常発生の有無を監視させることができる。他方、主マイコン110側では、決定されたデューティ比ηを元にPWM信号を生成する。そして、操舵軸角度検出部103をなすロータリエンコーダからの信号を参照してモータドライバ18に対し、通電に関与する相のコイルをスイッチングするFET(図7)へ該PWM信号を出力することにより、モータ6をPWM制御する。
【0053】
図12に戻り、S3ではイグニッションスイッチがOFFされているかどうかを確認し、もしOFFされている場合はS4の終了処理となる。すなわち、イグニッションスイッチがOFFになっている場合は、自動車の運転が終了したことを意味するから、主マイコン110において操舵軸角度位置カウンタに記憶されている、車輪操舵軸8の終了角度位置を読み出し、これをEEPROM115に格納し、さらに、RAM113に設けられたデータ書込み完了フラグをセットして処理を終了する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の車両用操舵制御システムの全体構成を模式的に示す図。
【図2】駆動部ユニットの一実施例を示す縦断面図。
【図3】図2のA−A断面図。
【図4】本発明の車両用操舵制御システムの電気的構成の一例を示すブロック図。
【図5】本発明の実施形態に使用する3相ブラシレスモータの動作説明図。
【図6】電流センサの回路例を示す図。
【図7】3相ブラシレスモータのドライバ部分の一例を示す回路図。
【図8】図5の3相ブラシレスモータに使用するロータリエンコーダの説明図。
【図9】舵角変換比と車速との関係を与えるテーブルの模式図。
【図10】車速に応じて舵角変換比を変化させるパターンの一例を示す模式図。
【図11】モータ電源電圧と角度偏差Δθとによりデューティ比を決定するための二次元テーブルの模式図。
【図12】本発明の車両用操舵制御システムにおけるコンピュータ処理の主ルーチンの一例を示すフローチャート。
【図13】図12の操舵制御処理の詳細の一例を示すフローチャート。
【図14】角度決定処理の流れを示すフローチャート。
【符号の説明】
3 ハンドル軸
6 モータ(アクチュエータ)
8 車輪操舵軸
100 操舵制御部
101 ハンドル軸角度検出部
103 操舵軸角度検出部
111 主CPU(カウンタ制御手段)
121 副CPU(カウンタ制御手段)
Claims (7)
- 操舵用のハンドル軸の操作角と車両の運転状態とに応じて前記車輪操舵軸に与えるべき操舵角を決定し、当該操舵角が得られるように前記車輪操舵軸をアクチュエータにより回転駆動するようにした車両用操舵制御システムにおいて、
前記車輪操舵軸の角度位置(以下、操舵軸角度位置という)を求めるために、前記回転体の回転角度位相を識別可能とした角度センサを有し、
前記角度センサの角度識別パターン出力に基づいて該角度センサの回転方向を識別し、かつ前記角度識別パターン出力を所定の周期にてサンプリングするとともに、第一のサンプリングと、その第一のサンプリングの次に行なわれる第二のサンプリングとにおいて、検出される前記角度識別パターンの前記配列順序における順位を識別し、前記第一のサンプリングに係る順位から前記第二のサンプリングに係る順位までの、前記回転方向を考慮したパターン変化数を求め、さらに、
前記回転方向が正である場合には、カウント値を前記パターン変化数に対応した数だけ加算し、変化方向が負である場合にはカウント値を前記パターン変化数に対応した数だけ減算するとともに、そのカウント値により前記操舵軸角度位置を示す操舵軸角度位置カウンタを設けたことを特徴とする車両用操舵制御システム。 - 前記第一のサンプリングと前記第二のサンプリングとの間の前記パターン変化数の絶対値が基準数(以下、パターン変化基準数という)を超えた場合に、該パターン変化数を操舵軸角度位置カウンタのカウント値に加算又は減算する処理を禁止するカウント禁止処理を行なうカウンタ制御手段を有する請求項1記載の車両用操舵制御システム。
- 前記角度センサの前記回転体の角速度を算出する角速度検出手段を有し、
前記カウンタ制御手段は、算出される前記角速度に応じて前記カウント禁止処理を行なうための条件設定を変化させる請求項2記載の車両用操舵制御システム。 - 前記カウンタ制御手段は、前記角速度が大きくなるほど、前記カウント禁止処理を行なうための前記パターン変化基準数を大きく設定する請求項3記載の車両用操舵制御システム。
- 前記角速度の範囲に対し、第一角速度範囲と、該第一角速度範囲に対し高角速度側に隣接する第二角速度範囲とが設定され、該第一角速度範囲に対しては前記パターン変化基準数が、予め定められた第一の値に設定され、前記第二角速度範囲においては、該第一の値より大きくなるように予め定められた第二の値に設定される請求項4記載の車両用操舵制御システム。
- 前記カウンタ制御手段は、前記角速度が予め定められた基準角速度を超えた場合に、前記パターン変化数によらず前記カウント禁止処理を行なわない請求項3ないし5のいずれか1項に記載の車両用操舵制御システム。
- 前記角速度の範囲に対し、第一角速度範囲と、該第一角速度範囲に対し高角速度側に隣接する第二角速度範囲と、該第二角速度範囲に対し高角速度側に隣接する第三角速度範囲が設定され、前記第一角速度範囲に対しては前記パターン変化基準数が、予め定められた第一の値に設定され、前記第二角速度範囲においては、該第一の値より大きくなるように予め定められた第二の値に設定され、前記第三角速度範囲においては、前記パターン変化数によらず前記カウント禁止処理を行なわない請求項6記載の車両用操舵制御システム。
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