JP4888921B2 - ステアバイワイヤ式パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、ハンドルの旋回に応じて操舵輪を操舵方向に駆動するステアバイワイヤ式のパワーステアリング装置に関する。

フォークリフト等の産業車両は、ハンドルの旋回に応じて操舵輪の操舵方向の駆動を制御するパワーステアリング装置を備える。パワーステアリング装置は、ハンドルと操舵輪とを機械的リンクで連結する機械式と、ハンドルと操舵輪とを機械的には連結しないステアバイワイヤ式とがある。

ステアバイワイヤ式のパワーステアリング装置は、ハンドルの旋回角をセンサーで検出して、この旋回角に応じて、操舵モータで操舵輪を操舵する。また、パワーステアリング装置は、ハンドルの旋回に対して反力（回転抵抗）を与える反力付与手段を備える。反力付与手段は、ハンドルの旋回角と操舵輪の操舵角との偏差に応じて、ハンドルの旋回とは逆方向に反力を与える（例えば、特許文献１）。

上記の反力付与手段によって、機械式のパワーステアリング装置と同様の感覚で操作を行えるようにするが、次のような場合には、機械式と異なるフィーリングにより操作に違和感が生じる。即ち、機械式では、路面状況が悪い（デコボコ・ザラザラ路面等）場合に、操舵輪と路面との摩擦抵抗によってハンドルが重たくなってハンドルを旋回し辛くなるが、従来の反力付与手段では、単に偏差に応じて反力を付与しているので、このようなフィーリングを得ることができなかった。

特開平１０−２５８７５１号公報

そこで、本発明が解決しようとする課題は、路面状況と偏差状況を考慮して、機械式と同様のフィーリングを得ることができるステアバイワイヤ式パワーステアリング装置を提供することである。

本発明に係るステアバイワイヤ式パワーステアリング装置は、
ハンドルの旋回に応じて操舵輪を操舵方向に駆動するステアバイワイヤ式のパワーステアリング装置において、
ハンドルの操舵方向と逆方向に反力を付与する反力付与手段と、ハンドルと操舵輪との偏差を検出する偏差検出手段と、操舵輪を操舵方向に駆動する操舵モータと、操舵モータのモータ電流を検出する電流検出手段と、操舵モータに加える電圧値を指令する電圧値指令手段と、反力付与手段が付与する反力を制御する制御手段とを備え、
制御手段は、モータ電流の増減に応じた第１反力を決定する第１反力決定手段と、偏差の増減に応じた第２反力を決定する第２反力決定手段とを備え、指令電圧値が予め設定した最大電圧値でないときは、第１反力を付与し、指令電圧値が最大電圧値のときは、第１反力と第２反力とを比較して大きい反力を付与する。

好ましくは、第１反力決定手段は、モータ電流が予め設定した上限電流値に近づいたときに、第１反力が急上昇するように決定する。

好ましくは、反力付与手段は、磁力に応じて粘性が変化する磁性流体でハンドルに旋回抵抗を与える。

好ましくは、上記のパワーステアリング装置がフォークリフトに搭載されている。

操舵モータは、モータ電流が路面状況に応じて増減するようになっており、路面の摩擦抵抗が大きいとモータ電流が大きくなり、路面の摩擦抵抗が小さいとモータ電流が小さくなる。そこで、本発明のパワーステアリング装置は、モータ電流の増減に応じて第１反力を決定する。これにより、モータ電流の増減に応じた第１反力をハンドルに与えることで、路面状況に応じたフィーリングを与えることができる。

ところが、第１反力だけだと、路面の摩擦抵抗が小さい場合、第１反力が小さくてハンドルを軽く旋回できるので、ハンドルの回転数を操舵モータの出力可能な最大出力回転数よりも大きくすることができてしまい、ハンドルと操舵輪との偏差が大きくなって、フィーリングに問題が生じることがある。

ところで、操舵モータは、偏差に応じた電圧値が指令されて、この指令電圧値に基づいて回転する。そのため、指令電圧値が最大電圧値（操舵モータを最大出力にする電圧値）であるとき、ハンドルの回転数が操舵輪の出力特性における最大回転数と同じ又は大きい状態なので、ますます偏差が大きくなってしまう。そこで、指令電圧値が最大電圧値のときは、偏差の増減に応じた第２反力を決定して、第１反力と第２反力の大きい反力をハンドルに付与することで、路面状況と偏差状況の双方を適宜フィードバックでき、操作フィーリングを向上できるようになっている。

フォークリフトを示す側面図である。 パワーステアリング装置を示すブロック図である。 反力付与手段の反力制御を示すフローチャート図である。 モータ電流と第１反力との関係を示すグラフ図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明に係るステアバイワイヤ式のパワーステアリング装置について説明する。

[全体構成]
図１の通り、フォークリフトは、車体１００、シート１０１、フォーク１０２及びマスト１０３を備える。オペレーターは、シート１０１に着座して、フォーク１０２をマスト１０３に沿って昇降する等の操作を行う。なお、図１は、本発明に係るパワーステアリング装置に関係する部分は実線で、それ以外の部分は二点鎖線で表す。

フォークリフトは、ハンドル５、前輪１０４及び操舵輪（後輪）６を備える。シート１０１に着座したオペレーターは、ハンドル５を旋回することで、操舵輪６を操舵方向（直進方向から左右方向）に回転駆動する。フォークリフトは、ハンドル５に連結されたハンドル装置１、操舵輪６に連結された操舵駆動装置３、ハンドル装置１と操舵駆動装置３とを制御する制御部４を備える。

図２の通り、ハンドル装置１は、ハンドル回転軸１０を備える。ハンドル回転軸１０は、ハンドル５に連結されて軸中心に旋回方向へ回転する。ハンドル装置１は、ハンドル回転軸１０の操舵回転方向と逆方向に反力を付与する反力付与手段１１を備える。本実施形態では、反力付与手段１１は、印加する磁力に応じて粘性が変化する磁性流体を封入したものであって、磁性流体の粘性によって生じる回転抵抗を反力とする。そして、制御部４が磁力を制御して磁性流体の粘性を変化させて反力を制御する。

操舵駆動装置３は、ＥＰＳモータ等からなる操舵モータ３０を備える。操舵駆動装置３は、操舵回転軸３２を備える。操舵回転軸３２は、操舵輪６に連結されて軸中心に操舵方向へ回転する。操舵モータ３０は、歯車装置やリンク機構等からなる減速機構（図示略）を介して、操舵回転軸３２へ回転力を伝動する。

ハンドル装置１は、ハンドル５の旋回方向における旋回角度（旋回位置）θ１を検出する旋回角度センサ１２を備える。また、操舵駆動装置３は、操舵輪６の操舵方向における操舵角度（操舵位置）θ２を検出する操舵角度センサ３１を備える。そして、旋回角度θ１と操舵角度θ２とが偏差検出手段７に入力され、偏差検出手段７が角度θ１と角度θ２との偏差Δθ（＝θ１−θ２）を検出し出力する。

制御部４は、操舵モータ３０に加える電圧値Ｖｉを指令する電圧値指令手段４０を備える。電圧値指令手段４０は、偏差検出手段７からの偏差角Δθを入力して、偏差角Δθの大小に比例した電圧値Ｖｉを指令するようになっている。従って、偏差角Δθが大きいほど指令電圧値Ｖｉが大きくなって、操舵モータ３０の回転数が大きくなる。

[反力付与動作]
次に、図３及び図４に基づいて、反力付与手段１１が反力を付与する制御について説明する。操舵駆動装置３は電流検出手段３３を備え、電流検出手段３３が、駆動モータ３０のモータ電流Ｉｍを検出する（図３のステップＳ１）。

ところで、操舵モータ３０は、指令電圧値Ｖｉになるようにモータ電流Ｉｍが決定されるので、モータ電流Ｉｍは路面の摩擦抵抗Ｒの大小に比例する。従って、路面の摩擦抵抗Ｒが大きい場合はモータ電流Ｉｍは大きく、路面の摩擦抵抗Ｒが小さい場合はモータ電流Ｉｍは小さくなる。

制御部４は、第１反力決定手段４１を備える。第１反力決定手段４１は、電流検出手段３３で検出したモータ電流Ｉｍを入力して、第１反力Ｆ１を決定する（図３のステップＳ２）。第１反力Ｆ１は、次の（１）式で決定される（図４）。
・ Ｆ１＝Ｉｍ×ｋ１ ・・・（１）式
ここで、ｋ１は係数である。

次に、指令電圧値Ｖｉが最大電圧値Ｖｍａｘか否かを判定する（図３のステップＳ３）。最大電圧値Ｖｍａｘは、操舵モータ３０の出力特性における最大出力をするための電圧値である。指令電圧値Ｖｉが最大電圧値Ｖｍａｘでない場合、制御部４は反力付与手段１１で第１反力Ｆ１を付与する（図３のステップＳ６）。

指令電圧値Ｖｉが最大電圧値Ｖｍａｘでない場合、出力特性の範囲内で操舵モータ３０は出力するので、ハンドル５の旋回に遅れることなく操舵輪６を操舵することができる。この状態で、第１反力Ｆ１を旋回抵抗として付与することで、路面状況をハンドル５にフィードバックして操作フィーリングが向上するようになっている。

さらに、操舵輪６が溝に落ちたり障害物に当たって、操舵輪６を動かすことができない（操舵モータ３０のロック）という状況をハンドル５にフィードバックして、操作フィーリングを向上させるようにする。そこで、第１反力Ｆ１を次のように決定する（図３のステップＳ２）。

操舵モータ３０の回路等が故障しないように設定された上限電流値Ｉｍａｘより所定値だけオフセットさせた基準電流値Ｉｍａを設定する。基準電流値Ｉｍａは、通常の走行で流れる電流値よりも大きなものとする。そして、モータ電流Ｉｍが基準電流値Ｉｍａを超えると、第１反力Ｆ１は次の（２）式で決定される（図４）。
・ Ｆ１＝Ｉｍ×ｋ２ ・・・（２）式
ここで、ｋ２はｋ１よりも大きい係数である（ｋ２＞ｋ１）。

これは、操舵モータ３０がロックするとモータ電流Ｉｍが非常に大きくなるので、基準電流値Ｉｍａより大きくなると、上記（２）式のように第１反力Ｆ１を急上昇させて、ハンドル５を旋回できないようにする。これにより、操舵輪６のロック状態をハンドル５にフィードバックさせることができるようになっている。

制御部４は、第２反力決定手段４２を備える。指令電圧値Ｖｉが最大電圧値Ｖｍａｘである場合、第２反力付与手段４２は、第２反力Ｆ２を決定する（図３のステップＳ４）。第２反力Ｆ２は、次の（３）式で決定する。
・ Ｆ２＝Δθ×ｋ３ ・・・（３）式
ここで、ｋ３は係数である。

指令電圧値Ｖｉが最大電圧値Ｖｍａｘである場合、操舵モータ３０は出力特性の最大で回転している。例えば、路面の摩擦抵抗Ｒが小さい場合、モータ電流Ｉｍが小さいので第１反力Ｆ１は小さなり、ハンドル５の回転数を大きくすることがある。このとき、指令電圧値Ｖｉが最大電圧値Ｖｍａｘとなって、ハンドル５と操舵輪６の偏差Δθが大きくなり、フィーリングが非常に悪くなる。

そこで、指令電圧値Ｖｉが最大電圧値Ｖｍａｘになったときは、第２反力Ｆ２を決定して（図３のステップＳ４）、制御部４に設けられた比較手段４３（図２）で第１反力Ｆ１と第２反力Ｆ２を比較する（図３のステップＳ５）。そして、第２反力Ｆ２が第１反力Ｆ１より大きいとき（Ｆ２＞Ｆ１）、第２反力Ｆ２を付与するようにする（図３のステップＳ７）。また、第１反力Ｆ１が第２反力Ｆ２より大きいとき（Ｆ１＞Ｆ２）、第１反力Ｆ１を付与するようにする（図３のステップＳ６）。

これにより、ハンドル５の旋回と操舵輪６の操舵との偏差Δθが大きくなった場合でも、路面状況と偏差状況をフィードバックして、それに応じた反力（Ｆ１又はＦ２）をハンドル５に付与することができるので、操作フィーリングが著しく向上する。

また、このパワーステアリング装置をフォークリフトに搭載した場合、フォーク１０２に荷物を載置した状態を、ステアリング５に伝えることができる。フォーク１０２に荷物を載置すると、後輪（操舵輪）６にかかる軸方向の重量が小さくなって、モータ電流Ｉｍも小さくなるので、反力Ｆが小さく、ステアリング力も小さくなる。つまり、過積載に近いと、後輪６にかかる軸重が軽くなり、それをハンドル側にフィードバックできるので、機械式のステアリングと同じフィーリングを与えることができる。

４ 制御手段
５ ハンドル
６ 操舵輪
７ 偏差検出手段
１１ 反力付与手段
１２ 旋回角度センサ
３０ 操舵モータ
３１ 操舵角度センサ
３３ 電流検出手段
４０ 電圧値指令手段
４１ 第１反力決定手段
４２ 第２反力決定手段
４３ 比較手段
Δθ 偏差
Ｉｍ モータ電流
Ｖｉ 指令電圧値
Ｆ１ 第１反力
Ｆ２ 第２反力

Claims (4)

1. ハンドルの旋回に応じて操舵輪を操舵方向に駆動するステアバイワイヤ式のパワーステアリング装置において、
   前記ハンドルの操舵方向と逆方向に反力を付与する反力付与手段と、前記ハンドルと前記操舵輪との偏差を検出する偏差検出手段と、前記操舵輪を操舵方向に駆動する操舵モータと、前記操舵モータのモータ電流を検出する電流検出手段と、前記操舵モータに加える電圧値を指令する電圧値指令手段と、前記反力付与手段が付与する反力を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記モータ電流の増減に応じた第１反力を決定する第１反力決定手段と、前記偏差の増減に応じた第２反力を決定する第２反力決定手段とを備え、前記指令電圧値が予め設定した最大電圧値でないときは、前記第１反力を付与し、前記指令電圧値が前記最大電圧値のときは、前記第１反力と前記第２反力とを比較して大きい反力を付与することを特徴とするパワーステアリング装置。
2. 前記第１反力決定手段は、予め設定した上限電流値に前記モータ電流が近づいたときに、前記第１反力が急上昇するように決定することを特徴とする請求項１に記載のパワーステアリング装置。
3. 前記反力付与手段は、磁力に応じて粘性が変化する磁性流体で前記ハンドルに旋回抵抗を与えることを特徴とする請求項１又は２に記載のパワーステアリング装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のパワーステアリング装置はフォークリフトに搭載されていることを特徴とするパワーステアリング装置。

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