WO2019151146A1 - 電動式アクチュエータおよび電動ブレーキ装置 - Google Patents

電動式アクチュエータおよび電動ブレーキ装置 Download PDF

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WO2019151146A1
WO2019151146A1 PCT/JP2019/002529 JP2019002529W WO2019151146A1 WO 2019151146 A1 WO2019151146 A1 WO 2019151146A1 JP 2019002529 W JP2019002529 W JP 2019002529W WO 2019151146 A1 WO2019151146 A1 WO 2019151146A1
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control
estimation
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PCT/JP2019/002529
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唯 増田
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Ntn株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60T—VEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
    • B60T13/00—Transmitting braking action from initiating means to ultimate brake actuator with power assistance or drive; Brake systems incorporating such transmitting means, e.g. air-pressure brake systems
    • B60T13/74—Transmitting braking action from initiating means to ultimate brake actuator with power assistance or drive; Brake systems incorporating such transmitting means, e.g. air-pressure brake systems with electrical assistance or drive
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60T—VEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
    • B60T8/00—Arrangements for adjusting wheel-braking force to meet varying vehicular or ground-surface conditions, e.g. limiting or varying distribution of braking force
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/10—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
    • H02K7/102—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with friction brakes
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P15/00—Arrangements for controlling dynamo-electric brakes or clutches
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/40—Regulating or controlling the amount of current drawn or delivered by the motor for controlling the mechanical load

Definitions

  • the present invention relates to, for example, an electric actuator and an electric brake device mounted on a vehicle or the like, and relates to a technique capable of improving NVH and the like.
  • Patent Document 1 An electric actuator using a planetary roller mechanism and an electric motor (Patent Document 1). 2. An electric actuator using an electric motor, a linear motion mechanism, and a speed reducer (Patent Document 2).
  • the inertial moment is mainly the sum of the inertial moments of inertial bodies such as the motor rotor, gears, rotary shaft of the linear motion mechanism, etc.
  • the gear mechanism has a predetermined amount of backlash (or play). And when the gear is located in the middle of the backlash, the gears are not coupled to each other, and the moment of inertia can be changed equivalently to only the motor rotor.
  • the electric brake device is required to have a high-speed response and high control accuracy in order to perform wheel speed control of the antilock brake system (Antilock Brake System, abbreviated as ABS) with high accuracy.
  • ABS Antilock Brake System
  • the control system becomes unstable when the gearwheel is in a non-contact state during the backlash and the inertial moment decreases. It may become.
  • a high-speed computing unit generally has a large steady power consumption. For example, in an electric brake device that can be in a standby state where a lot of travel time does not operate an actuator, the power consumption of the computing unit may be a problem.
  • An object of the present invention is to provide an electric actuator and an electric brake device that can improve NVH and improve control performance.
  • the electric actuator according to the present invention includes an electric motor 4 and a transmission unit having play for causing the contact state and the separation state by switching the operation of the electric motor 4 in the forward direction and the reverse direction.
  • An electric actuator comprising power transmission mechanisms 5 and 6 for transmitting, and a control device 2 for controlling the electric motor 4,
  • the control device 2 An angle estimation unit 20a for estimating a motor angle of the electric motor 4,
  • a load estimation function unit 19 that estimates a load applied by the driving force of the electric motor 4 via the power transmission mechanisms 5 and 6;
  • a control calculation unit 23 that controls the estimated value of the load or the motor angle as an operation amount, and follows a control amount that is the estimated value of the load or the motor angle with respect to a given target value;
  • a mechanical coupling that estimates that the transmission unit is in a separated state when the estimated value of the load is smaller than a predetermined value, and that the transmission unit is in a contact state when the estimated value of the load is larger than a predetermined value
  • a state estimation unit 24 The control calculation
  • the control calculation unit 23 uses the estimated value of the load (referred to as “estimated load”) or the estimated value of the motor angle as the operation amount, and the estimated value of the load or the motor angle with respect to the target value. An operation amount for causing a certain control amount to follow the target value is determined.
  • the mechanical coupling state estimation unit 24 estimates whether the transmission unit is in the separated state or the contact state according to the estimated load.
  • the control calculation unit 23 controls the electric motor 4 according to a predetermined condition with the first control calculation unit 23a being effective. In this case, high-speed and high-precision controllability can be exhibited in consideration of the moment of inertia of the entire electric actuator.
  • the control calculation unit 23 calculates the second control calculation unit 23b in which the magnitude of the driving force of the electric motor 4 is smaller than in the case of the first control calculation unit 23a. Is valid. In this case, it is possible to perform a control calculation based on, for example, only the motor inertia in a state where the load is easily affected by backlash or the like and is low. Therefore, for example, it is possible to suppress the motor vibration caused by the equivalent inertia change between the backlashes and improve the NVH.
  • the mechanical coupling state estimation unit 24 may be estimated to be in a separated state, and the transmission unit may be estimated to be in a contact state when the absolute value of the deviation is larger than a predetermined value.
  • Each of the determined values is a value arbitrarily determined by design or the like, and is determined by obtaining an appropriate value by one or both of testing and simulation, for example.
  • the control device 2 includes a disturbance estimation unit 28 that estimates a disturbance applied to the electric motor 4 including a reaction force to the driving force of the electric motor 4.
  • the mechanical coupling state estimation unit 24 has a function of storing an estimation result estimated that the transmission unit is in a contact state or a separated state, and the disturbance estimation is performed in a situation where the stored estimation result is a contact state.
  • the mechanical coupling state estimation unit 24 displays the estimation result. It may have a function of making a transition from the contact state to the separated state.
  • the same direction is a torque direction when based on a motion in a rotating coordinate system, and is a moving direction of a linear motion member in the case of a linear motion via a linear motion mechanism, for example.
  • the determined size is a size arbitrarily determined by design or the like, and is determined by obtaining an appropriate size by, for example, one or both of testing and simulation.
  • the disturbance applied to the electric motor 4 is mainly a frictional force, and basically a force that inhibits rotation acts.
  • a disturbance is applied in the same direction as the driving force of the electric motor 4 mainly when the motor inertia is lower than expected. From this, it can be determined that the power transmission mechanism has entered during backlash, so that it is possible to appropriately switch to the second control calculation unit 23b, and the response can be prevented from being vibrated.
  • the mechanical coupling state estimation unit 24 has a function of storing an estimation result obtained by estimating that the transmission unit is in a contact state or a separated state, and is estimated in a situation where the stored estimation result is a contact state.
  • the mechanical coupling state estimation unit 24 may have a function of causing the estimation result to transition from the contact state to the separated state.
  • Examples of the value depending on the output torque include current.
  • the determined value is a value arbitrarily determined by design or the like, and is determined by obtaining an appropriate value by one or both of testing and simulation, for example.
  • the upper limit acceleration that assumes the inertia of the entire electric actuator is exceeded mainly when the equivalent moment of inertia is reduced. From this, it can be determined that the intermediate state of the backlash of the power transmission mechanism has occurred, so that it is possible to appropriately switch to the second control calculation unit 23b, and the response can be prevented from becoming oscillating.
  • the control device 2 detects that the deviation between the target motor angle that is the target value and the estimated angle that is the estimated value of the motor angle has changed from positive to negative or from negative to positive.
  • the mechanical coupling state estimation unit 24 has a function of storing an estimation result in which the transmission unit is estimated to be in a contact state or a separated state, and in the situation where the stored estimation result is a contact state, When the transition from positive to negative or negative to positive occurs a plurality of times within a predetermined time, the mechanical coupling state estimation unit 24 has a function of transitioning the estimation result from the contact state to the separated state. There may be. The transition of the deviation from positive to negative or from negative to positive is called “zero crossing”.
  • the predetermined time is arbitrarily determined by design or the like, and is determined by obtaining an appropriate time by, for example, one or both of testing and simulation.
  • the mechanical coupling state estimation unit 24 is configured to determine whether the transmission unit is in a contact state under a condition for determining whether the transmission unit is in the separation state or the contact state, and the transmission unit is in a separation state.
  • a second threshold different from the first threshold In the intermediate state between the first and second threshold values, the control calculation unit 23 emphasizes the use of the first control calculation unit 23a when the estimation result of the mechanical coupling state estimation unit 24 approaches the contact state.
  • the control switching unit 23c may emphasize the use of the second control calculation unit 23b when the estimation result is close to the separated state.
  • the control switching unit 23c smoothly switches between the first and second control calculation units 23a and 23b, so that even when the switching operation is not performed as expected due to the influence of actuator characteristic fluctuation or the like, the control switching unit 23c Conversely, it is possible to prevent the response from being vibrated due to the influence of switching. Examples of the case where the switching operation is not as expected include cases where the switching timing is shifted and excessive switching occurs.
  • the electric brake device 1 includes an electric actuator DA according to any one of the above, a friction material 9 operated by the electric actuator DA, and a brake rotor that generates a braking force by contact with the friction material 9. 8 and. According to the electric brake device 1, since any one of the electric actuators DA is provided, NVH can be improved and control performance can be improved.
  • FIGS. 1 An electric brake device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • This electric brake device is mounted on a vehicle, for example.
  • the electric brake device 1 includes an electric actuator DA and a friction brake BR.
  • the structure of the electric actuator DA and the friction brake BR will be described.
  • the electric actuator DA includes a linear actuator main body AH, a power supply device 3, and a control device 2 described later.
  • the linear motion actuator main body AH includes an electric motor 4, a linear motion mechanism 6 and a speed reducer 5, which are power transmission mechanisms, a parking brake device 7, an angle sensor Sa, and a load sensor Sb.
  • the electric motor 4 is composed of, for example, a permanent magnet type synchronous motor.
  • a permanent magnet type synchronous motor When a permanent magnet type synchronous motor is applied as the electric motor 4, it is suitable for space saving, high efficiency and high torque.
  • the friction brake BR is provided on each wheel of the vehicle.
  • the friction brake BR includes a brake rotor 8 that rotates in conjunction with the wheels, and a friction material 9 that contacts the brake rotor 8 and generates a braking force.
  • the friction material 9 is operated by an electric actuator DA.
  • the friction brake BR can use a mechanism in which the friction material 9 is operated by the actuator body AH of the electric actuator DA and pressed against the brake rotor 8 to generate a braking force by the friction force.
  • a disc brake device using a brake rotor 8 which is a brake disc and a caliper (not shown) is applied, but a drum brake device using a drum and a lining may be used.
  • the speed reducer 5 is a mechanism that decelerates the rotation of the electric motor 4, and includes a primary gear 12, an intermediate (secondary) gear 13, and a tertiary gear 11 that are transmission units.
  • the speed reducer 5 decelerates the rotation of the primary gear 12 attached to the rotor shaft 4 a of the electric motor 4 by the intermediate gear 13 and transmits it to the tertiary gear 11 fixed to the end of the rotating shaft 10.
  • Possible parallel gears are used.
  • the transmission unit is switched between forward and reverse movements in a contact state (for example, a state in which the tooth surfaces are contacted, a state in which gears are coupled together) and a separated state (for example, a non-contact state with the tooth surfaces), There is play (backlash) for generating a non-coupled state between gears.
  • a contact state for example, a state in which the tooth surfaces are contacted, a state in which gears are coupled together
  • a separated state for example, a non-contact state with the tooth surfaces
  • the linear motion mechanism 6 is a mechanism that converts the rotational motion output from the speed reducer 5 into a linear motion of the linear motion portion 14 by a feed screw mechanism and causes the friction material 9 to contact or separate from the brake rotor 8. .
  • the linear motion part 14 is supported so as to be free of rotation and movable in the axial direction indicated by the arrow A1.
  • a friction material 9 is provided on the outboard side end of the linear motion portion 14.
  • a linear solenoid is applied as the actuator 16 of the parking brake mechanism 7.
  • the actuator 16 is locked by causing the lock member 15 to advance and fit into a locking hole (not shown) formed in the intermediate gear 13 and prohibiting the rotation of the intermediate gear 13, thereby parking. Set to locked state. By releasing the lock member 15 from the locking hole, the rotation of the intermediate gear 13 is allowed and the unlocked state is established.
  • the angle sensor Sa detects the rotation angle (motor angle) of the electric motor 4.
  • the angle sensor Sa for example, a resolver or a magnetic encoder is preferably used because it is highly accurate and reliable, but various sensors such as an optical encoder may be used.
  • angle sensorless estimation that estimates the motor angle from the relationship between the voltage and current of the electric motor 4 can be used.
  • the load sensor Sb detects the axial load of the linear motion mechanism 6.
  • the load sensor Sb for example, a magnetic sensor, a strain sensor, a pressure sensor, or the like that detects displacement or deformation of a predetermined member to which the load of the linear motion mechanism 6 acts can be used.
  • the control device 2 may perform the load sensorless estimation from the motor angle and the electric brake device rigidity, the motor current, the electric actuator efficiency, or the like.
  • other external sensors such as a sensor for detecting the wheel torque of a wheel on which a brake is mounted or a longitudinal force of a vehicle on which the electric brake device 1 (FIG. 1) is mounted may be used.
  • various sensors such as a thermistor may be separately provided according to requirements.
  • FIG. 2 is a block diagram of a control system of the electric actuator DA of this electric brake device.
  • a control device 2 and an actuator main body AH corresponding to each wheel are provided.
  • Each control device 2 controls a corresponding electric motor 4.
  • Each control device 2 is connected to a DC power supply device 3 and a host ECU (Electronic Control Unit) 17 which is a host control means of each control device 2.
  • the power supply device 3 supplies power to the electric motor 4 and the control device 2.
  • a low voltage (for example, 12V) battery of a vehicle on which the electric brake device 1 (FIG. 1) is mounted can be applied.
  • a vehicle integrated control device (Vehicle Control Unit, VCU) that controls the entire vehicle is applied.
  • the host ECU 17 has an integrated control function of each control device 2.
  • the host ECU 17 is provided with a brake command means 17a, and this brake command means 17a gives each control device 2 an output of a sensor that changes in accordance with an operation amount of a brake operation means (not shown) as a command value.
  • the brake command means 17a may be the brake operation means itself, or it is automatically commanded without depending on the operation of the brake operation means from information on the state of the vehicle and various sensors such as an autonomous driving vehicle. It is also possible to obtain and output a value.
  • Each control device 2 includes various control calculators that perform control calculations and a motor driver 18.
  • the various control arithmetic units are configured by, for example, a processor such as a microcomputer, an arithmetic unit such as an FPGA or an ASIC, and a peripheral circuit.
  • the various control calculators include a load estimator 19, a motion state estimator 20, a current estimator 21, a target value calculator 22, a control calculator 23, and a mechanical coupling state estimator 24 as load estimation function units.
  • the load estimator 19 estimates a load (estimated load) on which the driving force of the electric motor 4 acts via the speed reducer 5 and the linear motion mechanism 6 from the output of the load sensor Sb.
  • the load estimator 19 may perform load sensorless estimation without using the load sensor Sb.
  • the motion state estimator 20 estimates the rotational motion state of the electric motor 4 from the output of the angle sensor Sa.
  • the motion state estimator 20 includes an angle estimator 20a and an angular velocity estimator 20b.
  • the angle estimation unit 20a has a function of estimating the motor angle (estimated angle) used for the control calculation from the output of the angle sensor Sa.
  • the angle estimation unit 20a estimates the rotor phase of the electric motor 4 from the output of the angle sensor Sa. Also good.
  • the angular velocity estimation unit 20b may estimate the differential value of the rotor phase or position as the angular velocity.
  • the motion state estimator 20 may estimate the linearly converted position, speed, etc., for example, via a motion conversion coefficient such as an equivalent lead.
  • a motion conversion coefficient such as an equivalent lead.
  • an angle sensorless estimator that estimates the rotor phase or electrical angular velocity from the voltage and current of the electric motor 4 without providing the angle sensor output, and estimates the angle or angular velocity from the rotor phase or the like.
  • the state parameter may be, for example, a process of differentiating an angle to obtain an angular velocity, or a state estimation observer.
  • the estimated angle may have a function of deriving a continuous angle by complementing a periodic operation of an angle that overlaps or underlaps at a predetermined period.
  • angle sensor Sa angle sensorless estimation
  • the electric motor 4 rotates by an amount corresponding to a plurality of cycles.
  • the total rotation angle can be derived by performing complementation.
  • the current estimator 21 has a function of estimating the current used for the control calculation from the current sensor output.
  • the current sensor 25 for example, a sensor composed of an amplifier that detects the voltage across the shunt resistor, or a non-contact sensor that detects a magnetic flux around the current path of the phase current of the electric motor 4 can be used.
  • the current estimator 21 may be configured to detect a terminal voltage or the like of elements constituting the motor driver 18 or may be configured to estimate the motor phase current from the primary current.
  • feedforward control can be performed based on characteristics such as resistance or inductance of the electric motor 4 in a current control function described later without providing any current sensor.
  • the target value calculator 22 has a function of calculating a control target value from the output of the predetermined brake command means 17a.
  • the brake command means 17a is, for example, a brake pedal (brake operation means)
  • the target value calculator 22 can calculate a target brake load (target value) as a target from the stroke amount of the brake pedal, etc.
  • target motor angle or linear motion position for operating the actuator main body AH to the predetermined standby position can be calculated.
  • the target value calculator 22 receives, for example, a friction coefficient, a brake effective diameter, Alternatively, the target brake load may be calculated via a predetermined conversion coefficient such as vehicle inertia, or the target brake load may be directly input from the host ECU 17.
  • VCU vehicle integrated control unit
  • the control calculation unit 23 calculates an electric motor operation amount in a motor driver 18 described later so that the control amount follows the command value requested by the brake command means 17a.
  • the control calculation unit 23 may perform feedback control calculation for following the estimated load with respect to the target brake load when exerting a braking force, and corresponds to a predetermined brake standby position when releasing the brake.
  • a feedback control calculation for following control of the estimated angle (or estimated position with respect to the target position) with respect to the target motor angle or the like to be performed may be performed.
  • the control calculation unit 23 may have a calculation structure in which a plurality of minor feedback controls are provided in addition to load feedback control, for example, motor angle feedback control, angular velocity feedback control, and current feedback control are provided in a brake load control loop.
  • the motor operation amount may be calculated by a single feedback control.
  • feed forward control or the like can be used instead of a part or all of the feedback control, or can be used in combination as appropriate.
  • the control calculation unit 23 includes a first control calculation unit 23a, a second control calculation unit 23b, and a control switching unit 23c.
  • the first control calculation unit 23a performs control calculation assuming a case where a gear serving as a transmission unit from the motor rotor to the speed reducer 5 is in a contact state (coupled state).
  • the second control calculation unit 23b performs control calculation assuming that a part or the whole of the gear serving as the transmission unit is in a separated state.
  • the control switching unit 23c switches the first and second control calculation units 23a and 23b based on whether the gear serving as the transmission unit is in a contact state or in a separated state.
  • the inertia moment of the electric actuator DA is a motor to which a motor driving force is coupled.
  • the inertia moment of the electric actuator DA is an inertia moment excluding the member from which the transmission unit is separated, and in the minimum case, the electric motor 4 It can only be a motor rotor.
  • the moment of inertia can be relatively reduced as compared with the case where the transmission unit is in the contact state.
  • the control band is expanded to a higher frequency region than expected due to the reduction of the moment of inertia accompanying the separation of the transmission unit. .
  • the control stability is lowered contrary to the speeding up of the control, and there is a possibility that problems such as a decrease in controllability and a deterioration in NVH occur due to the vibration of the operation.
  • the phase in the control characteristics is delayed due to an increase in the moment of inertia accompanying the contact of the transmission unit, and the control stability May decrease.
  • the responsiveness may be lower than expected, and the braking distance may be adversely affected.
  • the first control calculation unit 23a that performs control calculation assuming that the transmission unit from the motor rotor to the speed reducer 5 is in contact with a part or the whole of the transmission unit is separated.
  • the second control calculation unit 23b that performs the control calculation assuming a state in the state by the control switching unit 23c, it is possible to solve the problem caused by the contact or separation of these transmission units.
  • the mechanical coupling state estimation unit 24 has a function of estimating what state the transmission unit is in contact or separation. As an example, in other words, based on a general gear, the mechanical coupling state estimation unit 24 has a function of estimating what state the gear is in contact with or in the middle of a backlash described later.
  • the mechanical coupling state estimation unit 24 is based on the estimated load, for example, when the estimated load is zero or a low load state less than a predetermined value, the transmission unit is separated, and the estimated load is greater than or equal to a predetermined value May be a function of determining that the transmission unit is in contact.
  • the brake load is zero or low
  • the transmission portion is likely to be separated due to zero or extremely small pressure applied to the transmission portion by the reaction force.
  • a brake load is applied, the transmission unit is easily maintained in a contact state because there is a pressure applied by a reaction force.
  • the mechanical coupling state estimation unit 24 can estimate whether the transmission unit is in the separated state or the contact state based on the estimated load. At this time, since the reaction force, that is, the pressurization, may be zero due to the influence of the mechanical hysteresis even in a low load state where the brake load is not zero, as described above, even if the brake load is a low load state, It is preferable to estimate that separation may occur.
  • the motor driver 18 controls the power supplied from the electric motor 4.
  • the motor driver 18 constitutes a half bridge circuit using a switching element such as a field effect transistor (abbreviated as FET), and determines a motor applied voltage or a motor current based on an ON-OFF duty ratio of the switching element. If it is configured to perform PWM control, it is inexpensive and has high performance. Or it can also be set as the structure which provides a transformer circuit etc. and performs PAM control. Also, in the half bridge circuit, the L arm (Low side line) switch element is turned ON as a switching potential source for the H arm (High side line) switch element that connects to the positive side of the power supply device 3.
  • a charge circuit using a bootstrap capacitor that functions as a potential source applied to the gate when a charge is accumulated from a predetermined potential source and the H arm switch element is turned on may be provided.
  • a booster circuit may be provided.
  • FIG. 3 shows a configuration example of the mechanical coupling state estimation unit 24 and the control calculation unit 23 shown in FIG.
  • the mechanical coupling state estimation unit 24 determines whether the transmission unit is in a contact (coupled) state or a separated (separated) state based on the result of the estimated load, and performs control calculation based on this determination.
  • the example which switches the part 23 is shown.
  • the mechanical coupling state estimation unit 24 can determine that the transmission unit is in the separated state when the load is smaller than the predetermined value, and can determine that the transmission unit is in the contact state when the load is larger than the predetermined value.
  • an intermediate state determination may be provided between the separation and the contact. That is, for example, in a load, a first threshold value that is determined to be a separation and a second threshold value that is determined to be a contact are provided, and the separation and the contact are continuous between the first threshold value and the second threshold value. It is good also as the process which switches to.
  • the control calculation unit 23 emphasizes the use of the first control calculation unit 23a, and the estimation result becomes close to the separated state. It has a control switching unit 23c that emphasizes the use of the second control calculation unit 23b.
  • the control calculation unit 23 switches the first and second control calculation units 23a and 23b that perform control calculation based on the target motor angle and the estimated motor angle, and switches the first and second control calculation units 23a and 23b. 26, and a control switching unit 23c that performs switching by means of H.26.
  • Each of the first and second control calculation units 23a and 23b performs follow-up control on a control amount that is an estimated motor angle with respect to a given target motor angle (target value).
  • the first and second control calculation units 23a and 23b may control the load as an input instead of the motor angle, or may include both of them.
  • the switch 26 shown in FIG. 3 may be capable of selecting not only binary switching but also its intermediate state. Furthermore, a third and subsequent control operation units may be provided.
  • the control calculation unit 23 activates the first control calculation unit 23a.
  • the electric motor 4 is controlled.
  • the control calculation unit 23 calculates the second control calculation unit 23b in which the magnitude of the driving force of the electric motor 4 is smaller than in the case of the first control calculation unit 23a. Is valid.
  • FIG. 4 shows an example in which a reaction force estimation unit 19A, which is a load estimation function unit, is provided in the motion state estimator 20 without providing the load estimator 19 in the configuration example of FIG.
  • the reaction force estimation unit 19A may have a function of estimating the state amount estimated by the state estimation observer including the reaction force, for example, a disturbance observer based on the output difference between the control target model and the actual machine. Also good.
  • the control of the brake load may be a function of controlling the reaction force to be a predetermined value.
  • the mechanical coupling state estimation unit 24 determines the separation / contact state of the transmission unit using, for example, a deviation between a target motor angle that is a target value and an estimated motor angle that is a control amount. May be.
  • a deviation between a target motor angle that is a target value and an estimated motor angle that is a control amount May be.
  • the absolute value of the deviation between the target motor angle and the estimated motor angle is small, a situation in which the direction of torque is reversed to cause the estimated motor angle to follow the target motor angle is likely to occur, that is, an intermediate state of backlash occurs. easy.
  • the absolute value of the deviation is large, the electric motor rotates in one direction to reduce the deviation so that the estimated motor angle follows the target motor angle for the time being.
  • the mechanical coupling state estimation unit 24 determines that the transmission unit is in the separated state when the absolute value of the deviation is smaller than a predetermined value, and transmits when the absolute value of the deviation is larger than the predetermined value. It can be determined that the part is in contact.
  • the motor angle deviation is relatively large, the electric motor continues to rotate in one direction so as to reduce the angle deviation, so that the transmission unit can be in contact, and when the angle deviation is relatively small, the angle deviation is zero.
  • the mechanical coupling state estimation unit 24 can estimate the separation / contact state of the transmission unit based on the angular deviation of the electric motor.
  • the transmission unit can replace with the deviation of the estimated motor angle of this figure, and a target motor angle, and can also use the deviation of an estimated load and a target load. Further, when the load is sufficiently large, it can be determined that the transmission unit is in contact with the reaction force of the load regardless of the magnitude of the deviation.
  • a combined state estimation execution determination unit 27 that determines whether to estimate the separation / contact state based on the estimated load is provided in the mechanical connection state estimation unit 24, and when the estimated load is larger than a predetermined value, the contact state is determined. can do.
  • the control unit 23b is switched to the second control calculation unit 23b.
  • the determination of the separation / contact state based on the estimated load shown in FIG. 3 is used together.
  • the determination of the separation / contact state derived by adding or multiplying each other's determination results Results may be used.
  • FIG. 6 shows an example in which a disturbance generated by an external force in the electric motor is estimated and the separation / contact state is determined based on the estimated disturbance.
  • the control device includes a disturbance estimation unit 28 that estimates a disturbance (estimated disturbance) applied to the electric motor including a reaction force against the driving force of the electric motor.
  • the mechanical coupling state estimation unit 24 has a function of storing the estimation result of the separation / contact state of the transmission unit, and in a situation where the stored estimation result is a contact state, the estimated disturbance and the driving force of the electric motor When it is estimated that a disturbance greater than or equal to the magnitude determined in the same direction is applied, the mechanical coupling state estimation unit 24 has a function of causing the estimation result to transition from the contact state to the separated state.
  • the estimated disturbance may be derived, for example, by a disturbance estimation observer based on an operation amount, a control amount, a motion equation of an electric actuator, or the like.
  • the electric motor disturbance is mainly caused by rotational resistance, sliding resistance, or resistance due to kinematic viscosity due to frictional force.
  • the disturbance is mainly a disturbance force that reduces the motor torque.
  • the separated / contact state can be determined as separated.
  • the determination based on the assist force may be determined based on the case where the estimated disturbance is an assist force larger than a predetermined value in order to exclude the influence of a motor torque error or the like.
  • the deviation shown in FIG. 5 may be used in combination as a condition for determining that the separation / contact state has changed from separation to contact. That is, when the absolute value of the deviation is equal to or greater than a predetermined value, the separation / contact state may be determined to be a contact state for the reason described with FIG.
  • the disturbance applied to the electric motor is mainly a frictional force, and basically a force that inhibits rotation acts.
  • a disturbance is applied in the same direction as the driving force of the electric motor, mainly when the motor inertia is lower than expected. From this, it can be determined that the power transmission mechanism has entered the backlash, so that it is possible to appropriately switch to the second control calculation unit 23b, and it is possible to prevent the response from becoming oscillating.
  • FIG. 7 shows an example in which the angular acceleration of the electric motor is estimated and the separation / contact state is determined based on the estimated angular acceleration.
  • the control device is provided with an angular acceleration estimator 29 for estimating the angular acceleration.
  • the angular acceleration may be derived by, for example, differential of an estimated angle or a state estimation observer.
  • the electric motor disturbance is mainly caused by rotational resistance, sliding resistance, or resistance due to kinematic viscosity caused by frictional force.
  • the disturbance is mainly a disturbance force that reduces the motor torque.
  • the transmission portion since the transmission portion is in a state of separation in the intermediate state of backlash, it can be determined that the separation / contact state is separated when the absolute value of the angular acceleration is larger than a predetermined value.
  • the case where the absolute value of the angular acceleration is larger than a predetermined value is preferably, for example, a case where the magnitude of the angular acceleration that can be derived from a predetermined operation amount and a moment of inertia such as a motor torque is exceeded. Therefore, the maximum angular acceleration that can be generated may be exceeded. Further, the case where the magnitude of the angular acceleration is exceeded is preferably a threshold value in consideration of the influence of the motor torque error.
  • a lower limit value (magnitude, positive or negative) of the angular acceleration is set based on the moment of inertia of the electric motor rotor and the electric motor torque, and the magnitude of the angular acceleration. It can also be determined that the transmission unit has contacted when the value becomes smaller than the lower limit.
  • the angular acceleration may be a differential value of the angular velocity, or the angular velocity ahead of a predetermined time is estimated based on the moment of inertia and the motor torque, and the separation / contact of the transmission unit based on the acceleration after the predetermined time has elapsed.
  • the state may be estimated.
  • the predetermined time may be a time that is one cycle ahead of the control cycle, for example.
  • FIG. 8 shows an example in which the zero crossing of the estimated motor angle with respect to the target motor angle is detected, and the separation / contact state is determined based on the detection.
  • the control device includes a zero-crossing detector 30 that detects that the deviation between the target motor angle and the estimated motor angle (estimated angle) has changed from positive to negative or from negative to positive.
  • the mechanical coupling state estimation unit 24 has a function of storing the estimation result of the separation / contact state, and in a situation where the stored estimation result is a contact state, the deviation transitions from positive to negative or from negative to positive. Is generated a plurality of times within a predetermined time, the mechanical coupling state estimation unit 24 has a function of transitioning the estimation result from the contact state to the separated state.
  • zero crossing of the estimated load with respect to the target load may be used.
  • the operation amount based on the control calculation assumed by the inertial moment of the entire electric actuator becomes excessive, and the specified command value is exceeded. In many cases, the operation amount chatters. At that time, zero crossing with a relatively short cycle occurs. Therefore, when the zero crossing cycle is shorter than a predetermined time, it can be determined that the separation / contact state is separation. Further, when the zero-crossing cycle is equal to or longer than a predetermined time, it can be determined as a contact state. In other words, when the transmission part is separated and the moment of inertia is reduced and control stability is reduced, zero crossing occurs in a short cycle that cannot be generated unless the moment of inertia is reduced. The state can be estimated.
  • the control switching unit 23 is based on the threshold value for determining that the transmission unit is separated for each estimation element and the threshold value for determining that the transmission unit is in contact. Can switch between the first and second control arithmetic units 23a and 23b. At this time, even if the intermediate values of the plurality of threshold values are determined as the degree of separation or contact of the transmission unit, the degree of influence of the first and second control calculation units 23a and 23b is determined based on these degrees. Good. By performing smooth switching in this way, for example, it is possible to prevent NVH from deteriorating due to the switching operation itself.
  • FIG. 9 shows an example in which the electric steering apparatus is configured as a rotary actuator main body AH instead of a direct acting actuator main body AH with respect to the configuration example of FIG.
  • This example has substantially the same configuration as the configuration example of FIG. 2 except that a rotational torque load is handled instead of a direct acting load.
  • the torque sensor Sc may have a function of estimating torque from twisting of a steering rod or the like.
  • Each block diagram shows the concept of the functional configuration to the last, and elements that are not shown are appropriately provided according to the requirements.
  • Each functional block is provided for convenience, and can be appropriately integrated or divided according to mounting convenience.
  • Each embodiment may be configured to be used together as appropriate within a range where no contradiction in function occurs.
  • the reaction force estimation unit 19A shown in FIG. 4 may be provided in the example of FIG. 2 and used for disturbance cancellation control or the like.
  • the connection form of each function is shown as an example, and can be changed within a range that does not hinder the function.
  • the electric brake device shown in FIGS. 2 and 4 can be applied to an electric press device in which a press die or the like is connected to a linear motion mechanism.
  • the electric steering device shown in FIG. Application to an electric valve device or the like that connects a valve device or the like and controls the valve opening degree is also possible.
  • the electric motor 4 for example, a DC motor using a brush, a reluctance motor not using a permanent magnet, an induction motor, or the like can be applied.
  • the speed reducer 5 for example, a speed reducer such as a worm gear or a planetary gear may be used.
  • a simple mechanical coupling system speed reduction ratio ⁇ 1 that does not reduce speed may be used, or a speed increaser (speed reduction ratio ⁇ 1) may be used.
  • linear motion mechanism 6 various screw mechanisms such as a planetary roller screw and a ball screw, and various mechanisms that convert a rotational motion into a straight motion by tilting in the circumferential direction of the rotational axis, such as a ball ramp, can be used.
  • Control device 4 ... Electric motor 5 ... Reducer 6 ... Linear motion mechanism (power transmission mechanism) 8 ... Brake rotor 9 ... Friction material 19 ... Load estimator (load estimation function unit) 20a ... Angle estimation unit 23 ... Control calculation units 23a, 23b ... First and second control calculation units 23c ... Control switching unit 24 ... Mechanical coupling state estimation unit 28 ... Disturbance estimation unit 30 ... Zero crossing detection unit DA ... Electric Actuator

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Abstract

ＮＶＨを改善すると共に制御性能の向上等を図ることができる電動式アクチュエータおよび電動ブレーキ装置を提供する。この電動式アクチュエータの制御装置(2)は、モータ角度を推定する角度推定部(20a)と、荷重推定機能部(19)と、与えられた目標値に対して制御量を追従制御する制御演算部(23)と、伝達部が離隔・接触状態を推定する機械結合状態推定部(24)とを備える。制御演算部(23)は、接触状態と推定されたとき電動モータ４を定められた条件に従って制御する第一の制御演算部(23a)と、離隔状態と推定されたとき電動モータ(4)の駆動力の大きさが第一の制御演算部(23a)の場合より小さく演算される第二の制御演算部(23b)とを有する。

Description

電動式アクチュエータおよび電動ブレーキ装置 関連出願
　本出願は、２０１８年１月３０日出願の特願２０１８－０１３６６０の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。
　この発明は、例えば、車両等に搭載される電動式アクチュエータおよび電動ブレーキ装置に関し、ＮＶＨ等を改善することができる技術に関する。
　電動モータ装置および電動モータを使用した電動アクチュエータとして、以下の技術が提案されている。
　１．遊星ローラ機構および電動モータを使用した電動アクチュエータ（特許文献１）。
　２．電動モータ、直動機構および減速機を使用した電動アクチュエータ（特許文献２）。
特開２００６－１９４３５６号公報 特開平６－３２７１９０号公報
　例えば、特許文献１のような、電動モータと減速機を使用した電動式直動アクチュエータにおいて、位置決め制御のための制御設計を行う際に、電動式直動アクチュエータの慣性モーメントが極めて重要なコントローラ設計パラメータとなる。このとき、慣性モーメントは主にモータ回転子、歯車、直動機構の回転軸、等の慣性体の慣性モーメントの総和となるが、一般的に歯車機構は所定量のバックラッシ（または、遊び）を有し、バックラッシの中間に歯車が位置するときは歯車同士が結合せず、慣性モーメントはモータ回転子のみと等価に変化し得る。
　例えば、特許文献１の電動式直動アクチュエータを用いた電動ブレーキ装置のような、直動荷重を印加する場合において、直動荷重が大きいほど歯車は片側の歯面に常に接触し続け、慣性モーメントはアクチュエータ全体の慣性モーメントと等価に近づく。一方、直動荷重が小さいほど（特に荷重ゼロの状態において）歯車の歯面が非接触状態となりやすく、前記のバックラッシの影響で一時的に慣性モーメントがモータ回転子のみの慣性モーメントと等価に近づく。
　主にアンチロック・ブレーキ・システム（Antilock Brake System、略称：ＡＢＳ）等の車輪速制御等を高精度に行うために、電動ブレーキ装置には高速な応答と高い制御精度が求められる。しかし、アクチュエータ全体の慣性モーメントを考慮して高速かつ高精度な制御性を発揮するコントローラを設計すると、前記のバックラッシ中に歯車が非接触状態となり慣性モーメントが低下した際に、制御系が不安定となる場合がある。この不安定な状態が発生すると、モータが主にバックラッシ間を激しく揺動し、歯車の両側の歯面への衝突を繰り返すことにより騒音、振動および乗り心地に関する総称であるＮＶＨ（Noise, Vibration, Harshness）が極めて悪化する問題、またはモータを揺動させることにより消費電力が増加する問題が発生する場合がある。
　前記バックラッシの影響を低減する対策として、例えば、シザーズギア等の構造を用いると製造コストおよび搭載スペースの増加が問題となる場合がある。また、スペーサ等を用いてバックラッシ量を調整する手法を用いる場合、組立が困難になり製造コストの増加が問題となる場合がある。あるいは、予め慣性モーメントがモータ回転子のみとなり得ることを考慮して制御設計を行う場合、歯車が接触して慣性モーメントがアクチュエータ全体と等価となった際の応答性が著しく低下する。電動ブレーキ装置に換言すれば、ブレーキをかけている際の応答性が低下することにより、主に前記のＡＢＳ等の性能低下が問題となる場合がある。
　あるいは、バックラッシをモデリングし、非線形な制御対象に対する制御等を用いる場合、演算負荷が増大し、高速な演算器を使用することによるコスト増加が問題となる場合がある。また、高速な演算器は一般に定常消費電力が大きく、例えば、走行時間の多くがアクチュエータを動作しない待機状態となり得る電動ブレーキ装置においては、演算器の消費電力が問題となる場合がある。
　この発明の目的は、ＮＶＨを改善すると共に制御性能の向上等を図ることができる電動式アクチュエータおよび電動ブレーキ装置を提供することである。
　以下、本発明について、理解を容易にするために、便宜上実施形態の符号を参照して説明する。
　この発明の電動式アクチュエータは、電動モータ４と、この電動モータ４の駆動力を、正方向と逆方向の動作の切換により接触状態と離隔状態とが生じるための遊びを有する伝達部を介して伝達する動力伝達機構５，６と、前記電動モータ４を制御する制御装置２とを備える電動式アクチュエータであって、
　前記制御装置２は、
　前記電動モータ４のモータ角度を推定する角度推定部２０ａと、
　前記電動モータ４の駆動力が前記動力伝達機構５，６を介して作用する荷重を推定する荷重推定機能部１９と、
　前記荷重または前記モータ角度の推定値を操作量とし、与えられた目標値に対して、前記荷重または前記モータ角度の推定値である制御量を追従制御する制御演算部２３と、
　前記荷重の推定値が定められた値よりも小さいとき前記伝達部が離隔状態にあり、前記荷重の推定値が定められた値よりも大きいとき前記伝達部が接触状態にあると推定する機械結合状態推定部２４と、を備え、
　前記制御演算部２３は、
　前記機械結合状態推定部２４により前記伝達部が接触状態にあると推定されたとき前記電動モータ４を定められた条件に従って制御する第一の制御演算部２３ａと、
　前記機械結合状態推定部２４により前記伝達部が離隔状態にあると推定されたとき前記電動モータ４の駆動力の大きさが前記第一の制御演算部２３ａの場合より小さく演算される第二の制御演算部２３ｂとを有する。
　前記各定められた値、前記定められた条件は、それぞれ設計等によって任意に定める値、条件であって、例えば、試験およびシミュレーションのいずれか一方または両方等により適切な値、条件を求めて定められる。
　この構成によると、制御演算部２３は、荷重の推定値（「推定荷重」と称す）またはモータ角度の推定値を操作量とし、目標値に対して、前記荷重または前記モータ角度の推定値である制御量を前記目標値に追従させるための操作量を決定する。機械結合状態推定部２４は、伝達部が離隔状態にあるか接触状態にあるかを推定荷重に応じて推定する。
　伝達部が接触状態と推定されたとき、制御演算部２３は、第一の制御演算部２３ａを有効として電動モータ４を定められた条件に従って制御する。この場合、電動式アクチュエータ全体の慣性モーメントを考慮して高速かつ高精度な制御性を発揮することが可能となる。一方、伝達部が離隔状態と推定されたとき、制御演算部２３は、電動モータ４の駆動力の大きさが第一の制御演算部２３ａの場合より小さく演算される第二の制御演算部２３ｂを有効とする。この場合、バックラッシ等の影響を受けやすい荷重ゼロから低荷重の状態において、例えばモータ慣性のみに基づく制御演算を行うことが可能となる。したがって、例えばバックラッシ間での等価慣性変動等に起因するモータ振動を抑制し、ＮＶＨを改善することが可能となる。
　前記機械結合状態推定部２４は、与えられた指令入力から導出される荷重またはモータ角度のいずれかの前記目標値と、前記制御量との偏差の絶対値が定められた値よりも小さいとき前記伝達部が離隔状態にあると推定し、前記偏差の絶対値が定められた値よりも大きいとき前記伝達部が接触状態にあると推定してもよい。前記各定められた値は、それぞれ設計等によって任意に定める値であって、例えば、試験およびシミュレーションのいずれか一方または両方等により適切な値を求めて定められる。
　負荷が小さく、かつモータ角度偏差が小さい場合は、例えばバックラッシ中間での動作となる可能性が高いため、予めバックラッシ中での動作を想定し、第二の制御演算部２３ｂに切替える。この構成によると、偏差の絶対値が定められた値よりも小さいとき伝達部が離隔状態にあると推定し第二の制御演算部２３ｂに切替える。こうすることで、バックラッシ中において伝達部の接触面が離隔して電動式アクチュエータＤＡの等価慣性モーメントが小さくなり、応答が振動的となることによるＮＶＨの増加および制御性の低下を防止し得る。
　前記制御装置２は、前記電動モータ４の駆動力に対する反力を含む、前記電動モータ４へ印加される外乱を推定する外乱推定部２８を有し、
　前記機械結合状態推定部２４は、前記伝達部が接触状態または離隔状態にあると推定した推定結果を記憶する機能を有し、記憶された前記推定結果が接触状態である状況において、前記外乱推定部２８で推定された外乱として、前記電動モータ４の駆動力と同一の方向に定められた大きさ以上の外乱が加わったと推定されたとき、前記機械結合状態推定部２４は、前記推定結果を接触状態から離隔状態へと遷移させる機能を有するものであってもよい。
　前記同一の方向は、回転座標系での運動に基づく場合はトルク方向であり、例えば直動機構等を介した直動運動の場合は直動部材の移動方向である。前記定められた大きさは、設計等によって任意に定める大きさであって、例えば、試験およびシミュレーションのいずれか一方または両方等により適切な大きさを求めて定められる。
　この構成によると、荷重がゼロまたは小さい状態において、電動モータ４に印加される外乱は主に摩擦力であり、基本的には回転を阻害する力が作用する。そのような状況下において、電動モータ４の駆動力と同一方向に外乱が加わったと推定されるのは、主にモータ慣性が想定より低下した場合である。そのことから動力伝達機構がバックラッシ中に突入しことを判断できるため、第二の制御演算部２３ｂに適切に切替えることが可能となり、応答が振動的になることを防止し得る。
　前記制御装置２は、前記目標値に対して前記制御量を追従制御するとき、前記電動モータ４の出力トルクまたはこの出力トルクに依存する値を決定する機能と、前記電動モータ４の角加速度を推定する機能と、を有し、
　前記機械結合状態推定部２４は、前記伝達部が接触状態または離隔状態にあると推定した推定結果を記憶する機能を有し、記憶された前記推定結果が接触状態である状況において、推定された前記角加速度の大きさが定められた値より大きいと推定されたとき、前記機械結合状態推定部２４は、前記推定結果を接触状態から離隔状態へと遷移させる機能を有するものであってもよい。
　前記出力トルクに依存する値として、電流などが挙げられる。前記定められた値は、設計等によって任意に定める値であって、例えば、試験およびシミュレーションのいずれか一方または両方等により適切な値を求めて定められる。
　この構成によると、電動式アクチュエータ全体の慣性を想定した上限加速度を超過するのは、主に等価慣性モーメントが低下した場合である。そのことから動力伝達機構のバックラッシ中間状態が発生したことを判断できるため、第二の制御演算部２３ｂに適切に切替えることが可能となり、応答が振動的になることを防止し得る。
　前記制御装置２は、前記目標値である目標モータ角度と、前記モータ角度の推定値である推定角度と、の偏差が正から負または負から正へと推移したことを検出するゼロ・クロッシング検出部３０を有し、
　前記機械結合状態推定部２４は、前記伝達部が接触状態または離隔状態にあると推定した推定結果を記憶する機能を有し、記憶された前記推定結果が接触状態である状況において、前記偏差の正から負または負から正への推移が定められた時間内に複数回発生したとき、前記機械結合状態推定部２４は、前記推定結果を接触状態から離隔状態へと遷移させる機能を有するものであってもよい。
　前記偏差が正から負または負から正へと推移することを「ゼロ・クロッシング」という。前記定められた時間は、設計等によって任意に定める時間であって、例えば、試験およびシミュレーションのいずれか一方または両方等により適切な時間を求めて定められる。
　この構成によると、バックラッシ等の影響で等価慣性がモータ回転子のみに減少し、応答が振動的になった場合、等価慣性が電動式アクチュエータ全体の場合と比較して、高周波なゼロ・クロッシングが発生する。このため、本構成により動力伝達機構のバックラッシ中間状態が発生したことを判断できるため、第二の制御演算部２３ｂに適切に切替えることが可能となり、応答が振動的になることを防止し得る。
　前記機械結合状態推定部２４は、前記離隔状態にあるか前記接触状態にあるかを判断する条件において、前記伝達部が接触状態にあると推定する第一の閾値と、前記伝達部が離隔状態にあると推定する、前記第一の閾値とは異なる第二の閾値と、を備え、
　前記制御演算部２３は、前記第一および第二の閾値の中間状態において、前記機械結合状態推定部２４の推定結果が前記接触状態に近くなると前記第一の制御演算部２３ａの使用が強調され、前記推定結果が前記離隔状態に近くなると前記第二の制御演算部２３ｂの使用が強調される制御切替部２３ｃを有するものであってもよい。
　この構成によると、制御切替部２３ｃが第一，第二の制御演算部２３ａ，２３ｂの切替を平滑に行うことで、アクチュエータ特性変動等の影響で想定通りの切替動作とならない場合においても、制御切替の影響で逆に応答が振動的になってしまうことを防止することができる。前記想定通りの切替動作とならない場合とは、例えば、切替えるタイミングがずれる、過剰な切替が発生する等が挙げられる。
　この発明の電動ブレーキ装置１は、前記いずれかに記載の電動式アクチュエータＤＡと、この電動式アクチュエータＤＡによって操作される摩擦材９と、この摩擦材９との接触により制動力を発生させるブレーキロータ８と、を備えている。この電動ブレーキ装置１によれば、いずれかの電動式アクチュエータＤＡを備えているため、ＮＶＨを改善すると共に制御性能の向上等を図ることができる。
　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、この発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、この発明に含まれる。
　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
この発明の実施形態に係る電動ブレーキ装置を概略示す図である。 同電動ブレーキ装置の電動式アクチュエータの制御系のブロック図である。 同電動式アクチュエータの制御装置の構成例を示すブロック図である。 この発明の他の実施形態に係る電動式アクチュエータの制御系のブロック図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る電動式アクチュエータの制御装置の構成例を示すブロック図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る電動式アクチュエータの制御装置の構成例を示すブロック図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る電動式アクチュエータの制御装置の構成例を示すブロック図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る電動式アクチュエータの制御装置の構成例を示すブロック図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る電動式アクチュエータの制御系のブロック図である。
　この発明の実施形態に係る電動ブレーキ装置を図１ないし図３と共に説明する。この電動ブレーキ装置は例えば車両に搭載される。図１に示すように、この電動ブレーキ装置１は、電動式アクチュエータＤＡと、摩擦ブレーキＢＲとを備える。先ず、電動式アクチュエータＤＡおよび摩擦ブレーキＢＲの構造について説明する。
　＜電動式アクチュエータＤＡおよび摩擦ブレーキＢＲの構造＞
　図１および図２に示すように、電動式アクチュエータＤＡは、直動アクチュエータ本体ＡＨと、電源装置３と、後述する制御装置２とを備える。直動アクチュエータ本体ＡＨは、電動モータ４と、動力伝達機構である直動機構６および減速機５と、パーキングブレーキ装置７と、角度センサＳａと、荷重センサＳｂとを有する。
　図１に示すように、電動モータ４は、例えば、永久磁石式の同期電動機から成る。電動モータ４として、永久磁石式の同期電動機を適用すると省スペースで高効率かつ高トルクとなり好適である。摩擦ブレーキＢＲは、車両の各車輪にそれぞれ設けられる。摩擦ブレーキＢＲは、車輪と連動して回転するブレーキロータ８と、このブレーキロータ８と接触して制動力を発生する摩擦材９とを有する。この摩擦材９は、電動式アクチュエータＤＡによって操作される。摩擦ブレーキＢＲは、摩擦材９を電動式アクチュエータＤＡのアクチュエータ本体ＡＨにより操作してブレーキロータ８に押圧し、摩擦力によって制動力を発生させる機構を用いることができる。この例の摩擦ブレーキＢＲとして、ブレーキディスクであるブレーキロータ８および図示外のキャリパを用いたディスクブレーキ装置を適用しているが、ドラムおよびライニングを用いたドラムブレーキ装置であってもよい。
　減速機５は、電動モータ４の回転を減速する機構であり、それぞれ伝達部である一次歯車１２、中間（二次）歯車１３、および三次歯車１１を含む。この例では、減速機５は、電動モータ４のロータ軸４ａに取り付けられた一次歯車１２の回転を、中間歯車１３により減速して、回転軸１０の端部に固定された三次歯車１１に伝達可能な平行歯車が用いられている。前記伝達部は、正方向と逆方向の動作の切換により接触状態（たとえば、歯面へ接触する状態、歯車同士が結合する状態、等）と離隔状態（たとえば、歯面との非接触状態、歯車同士の非結合状態、等）とが生じるための遊び（バックラッシ）を有する。
　直動機構６は、減速機５で出力される回転運動を送りねじ機構により直動部１４の直線運動に変換して、ブレーキロータ８に対して摩擦材９を当接または離隔させる機構である。直動部１４は、回り止めされ且つ矢符Ａ１にて表記する軸方向に移動自在に支持されている。直動部１４のアウトボード側端に摩擦材９が設けられる。電動モータ４の回転を、減速機５を介して、直動機構６に伝達することで、回転運動が直線運動に変換され、それが摩擦材９の押圧力に変換されることによりブレーキ力を発生させる。なお電動ブレーキ装置１を車両に搭載した状態で、車両の車幅方向外側をアウトボード側といい。車両の車幅方向中央側をインボード側という。
　パーキングブレーキ機構７のアクチュエータ１６として、例えば、リニアソレノイドが適用される。アクチュエータ１６により、ロック部材１５を、進出させて中間歯車１３に形成された係止孔（図示せず）に嵌まり込ませることで係止し、中間歯車１３の回転を禁止することで、パーキングロック状態にする。ロック部材１５を前記係止孔から離脱させることで中間歯車１３の回転を許容し、アンロック状態にする。
　図２に示すように、角度センサＳａは、電動モータ４の回転角度（モータ角度）を検出する。角度センサＳａは、例えば、レゾルバまたは磁気エンコーダ等を用いると高精度かつ高信頼性であり好適であるが、光学式のエンコーダ等の各種センサを用いることもできる。前記角度センサＳａを用いずに、後述する制御装置２において、電動モータ４の電圧と電流との関係等からモータ角度を推定する角度センサレス推定を用いることもできる。
　荷重センサＳｂは、直動機構６の軸方向荷重を検出する。この荷重センサＳｂは、例えば、直動機構６の荷重が作用する所定部材の変位または変形を検出する磁気センサ、歪センサ、圧力センサ等を用いることができる。前記荷重センサＳｂを用いずに、制御装置２において、例えば、モータ角度および電動ブレーキ装置剛性、またはモータ電流および電動式アクチュエータ効率等から荷重センサレス推定を行ってもよい。あるいは、例えばブレーキを実装する車輪のホイールトルクまたはこの電動ブレーキ装置１（図１）を搭載した車両の前後力を検出するセンサ等、その他外部センサを用いてもよい。その他、サーミスタ等の各種センサ類等を要件に応じて別途設けてもよい。
　＜制御装置２の構成＞
　図２は、この電動ブレーキ装置の電動式アクチュエータＤＡの制御系のブロック図である。例えば、各車輪に対応する制御装置２およびアクチュエータ本体ＡＨが設けられている。各制御装置２は対応する電動モータ４を制御する。各制御装置２に、直流の電源装置３と、各制御装置２の上位制御手段である上位ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１７とが接続されている。電源装置３は、電動モータ４および制御装置２に電力を供給する。電源装置３は、例えば、この電動ブレーキ装置１（図１）を搭載する車両の低圧（例えば１２Ｖ）バッテリ等を適用し得る。
　上位ＥＣＵ１７として、例えば、車両全般を制御する車両統合制御装置（Vehicle Control Unit, ＶＣＵ）が適用される。上位ＥＣＵ１７は、各制御装置２の統合制御機能を有する。上位ＥＣＵ１７はブレーキ指令手段１７ａを備え、このブレーキ指令手段１７ａは、図示外のブレーキ操作手段の操作量に応じて変化するセンサの出力を指令値として各制御装置２に与える。なおブレーキ指令手段１７ａは、ブレーキ操作手段そのものであってもよく、あるいは、例えば自動運転車両のように車両の状態および各種センサ等の情報から、ブレーキ操作手段の操作に依ることなく自動的に指令値を求めて出力することも可能である。
　各制御装置２は、制御演算を行う各種制御演算器と、モータドライバ１８とを備える。前記各種制御演算器は、例えば、マイクロコンピュータ等のプロセッサ、または、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ等の演算器および周辺回路により構成される。前記各種制御演算器は、荷重推定機能部としての荷重推定器１９、運動状態推定器２０、電流推定器２１、目標値演算器２２、制御演算部２３および機械結合状態推定部２４を備える。
　荷重推定器１９は、荷重センサＳｂの出力から、電動モータ４の駆動力が減速機５および直動機構６を介して作用する荷重を（推定荷重）を推定する。あるいは荷重推定器１９は、前述の通り、荷重センサＳｂを用いない荷重センサレス推定を行ってもよい。
　運動状態推定器２０は、角度センサＳａの出力から、電動モータ４の回転運動状態を推定する。この運動状態推定器２０は、角度推定部２０ａと、角速度推定部２０ｂとを有する。
　角度推定部２０ａは、角度センサＳａの出力から、制御演算に用いるモータ角度（推定角度）を推定する機能を有する。角度センサＳａとして、例えばレゾルバまたはエンコーダのような所定の角度領域を一周期として検出するセンサを用いる場合、角度推定部２０ａは、角度センサＳａの出力から電動モータ４の回転子位相を推定してもよい。角速度推定部２０ｂは、前記回転子位相ないし位置の微分相当値を、角速度として推定してもよい。
　運動状態推定器２０は、例えば、等価リード等の運動変換係数を介し、直動換算された位置、速度、等を推定してもよい。あるいは前述の通り、角度センサ出力を設けずに、電動モータ４の電圧および電流から回転子位相または電気角速度を推定し、前記回転子位相等から角度または角速度を推定する角度センサレス推定器を設けてもよい。また状態パラメータは、例えば、角度を微分して角速度を求める等の処理であってもよく、状態推定オブザーバであってもよい。
　前記推定角度について、所定周期でオーバーラップないしアンダーラップする角度の周期動作を補完し、連続した角度を導出する機能を有していてもよい。例えばレゾルバ等の角度センサＳａまたは角度センサレス推定における一周期に対して、一般に電動ブレーキ装置における荷重をゼロから最大値まで推移させると複数周期に相当する量を電動モータ４が回転するため、前記の補完を行うことによって総回転角度を導出することができる。
　電流推定器２１は、電流センサ出力から制御演算に用いる電流を推定する機能を有する。電流センサ２５は、例えば、シャント抵抗両端の電圧を検出するアンプから成るセンサ、または電動モータ４の相電流の通電経路周囲の磁束等を検出する非接触式センサ等を用いることができる。電流推定器２１は、他の構成として、例えば、モータドライバ１８を構成する素子等の端子電圧等を検出する構成としてもよく、一次側の電流からモータ相電流を推定する構成としてもよい。あるいは、一切の電流センサを設けずに、後述の電流制御機能において電動モータ４の抵抗またはインダクタンス等の特性に基づいてフィードフォワード制御を行うこともできる。
　目標値演算器２２は、所定のブレーキ指令手段１７ａの出力から、制御目標値を演算する機能を有する。ブレーキ指令手段１７ａが例えばブレーキペダル（ブレーキ操作手段）である場合、目標値演算器２２は、ブレーキペダルのストローク量等から目標とする目標ブレーキ荷重（目標値）を演算することができ、ブレーキペダルが戻された（離された）際には所定の待機位置へとアクチュエータ本体ＡＨを動作させるための目標モータ角度または直動位置を演算することができる。
　あるいは、例えば車両統合制御装置（ＶＣＵ）等の上位ＥＣＵ１７がブレーキ指令手段１７ａを備える場合、目標値演算器２２は、例えば、車両減速度および制動力等の指令から、摩擦係数、ブレーキ有効径、および車両慣性等の所定の換算係数を介して目標ブレーキ荷重を演算してもよく、または目標ブレーキ荷重が上位ＥＣＵ１７から直接入力される仕様とすることもできる。
　制御演算部２３は、ブレーキ指令手段１７ａより要求される指令値に対して制御量を追従させるよう、後述のモータドライバ１８における電動モータ操作量を演算する。制御演算部２３は、例えばブレーキ力を発揮する場合は前記目標ブレーキ荷重に対して前記推定荷重を追従制御するフィードバック制御演算を行ってもよく、ブレーキを解除する場合は所定のブレーキ待機位置に相当する目標モータ角度等に対して前記推定角度（あるいは目標位置に対する推定位置）を追従制御するフィードバック制御演算を行ってもよい。
　制御演算部２３は、荷重のフィードバック制御の他、例えばブレーキ荷重制御ループ内にモータ角度フィードバック制御、角速度フィードバック制御、電流フィードバック制御を設けるように、複数のマイナーフィードバック制御を設ける演算構造としてもよく、単一のフィードバック制御にてモータ操作量を演算する構造としてもよい。その他、一部または全てのフィードバック制御に代えてフィードフォワード制御等を用いるか、または適宜併用することもできる。
　また制御演算部２３は、第一の制御演算部２３ａと、第二の制御演算部２３ｂと、制御切替部２３ｃとを備える。第一の制御演算部２３ａは、モータ回転子から減速機５までの伝達部である歯車が接触状態（結合状態）にある場合を想定した制御演算を行う。第二の制御演算部２３ｂは、前記伝達部である歯車の一部または全体が離隔状態にある場合を想定した制御演算を行う。制御切替部２３ｃは、前記伝達部である歯車が接触状態にあるか離隔状態にあるかに基づいて、第一および第二の制御演算部２３ａ，２３ｂを切替える。
　例えば、減速機５の歯車等の歯面が接触しているような、伝達部（機械結合部）が接触状態にある場合、電動式アクチュエータＤＡの慣性モーメントは、モータ駆動力が結合されたモータ回転子、減速機５、直動機構６等の全ての機械構成部材の慣性モーメントの総和（但し、減速による影響は適宜考慮される）となる。一方、例えば前記歯車等におけるバックラッシ等、前記伝達部が離隔状態にある場合、電動式アクチュエータＤＡの慣性モーメントは、伝達部が離隔した部材を除いた慣性モーメントとなり、最小の場合は電動モータ４のモータ回転子のみとなり得る。換言すれば、伝達部が離隔状態にある場合は、伝達部が接触状態にある場合と比較して慣性モーメントが比較的減少した状態となり得る。
　ところで、伝達部が接触状態にある場合を想定して制御演算部における演算式を構築した場合、前記伝達部の離隔に伴う慣性モーメントの減少により、制御帯域が想定より高周波領域へと拡大される。このとき、制御の高速化に背反して制御安定性が低下する場合があり、動作が振動的になることで制御性の低下およびＮＶＨ悪化といった問題が発生する可能性がある。また、例えば、伝達部が離隔状態にある場合を想定して制御演算部における演算式を構築した場合、前記伝達部の接触に伴う慣性モーメントの増大により、制御特性における位相が遅れ、制御安定性が低下する場合がある。また、応答性が想定より低下し、制動距離に悪影響を及ぼす可能性がある。
　本実施形態の構成により、モータ回転子から減速機５までの伝達部が接触状態にある場合を想定した制御演算を行う第一の制御演算部２３ａと、前記伝達部の一部または全体が離隔状態にある場合を想定した制御演算を行う第二の制御演算部２３ｂと、を制御切替部２３ｃにより適切に切替えることにより、これら伝達部の接触または離隔に起因した問題を解決し得る。
　機械結合状態推定部２４は、前記伝達部が接触または離隔について、どのような状態にあるかを推定する機能を有する。例として、一般的な歯車に基づいて換言すれば、機械結合状態推定部２４は、歯車が接触している状態または後述のバックラッシ中間にある状態について、どのような状態にあるかを推定する機能を有する。
　機械結合状態推定部２４は、例えば、前記推定荷重に基づき、推定荷重がゼロまたは所定値未満の低荷重状態である場合は伝達部が離隔しており、前記推定荷重が所定値以上である場合は伝達部が接触していると判断する機能であってもよい。ブレーキ荷重がゼロまたは低荷重である場合、反力による伝達部への与圧がゼロまたは極めて小さいことにより、伝達部が離反した状態となりやすい。一方、ブレーキ荷重が印加されている場合、反力による与圧があるため伝達部が接触状態に維持されやすい。
　よって、機械結合状態推定部２４は、推定荷重に基づいて、伝達部が離隔状態にあるか接触状態にあるかを推定することができる。なお、このとき、ブレーキ荷重がゼロでない低荷重状態においても機械系のヒステリシスの影響により反力すなわち与圧がゼロとなる場合があるため、前述の通りブレーキ荷重が低荷重状態においても伝達部の離隔が発生し得ると推定することが好ましい。
　モータドライバ１８は、電動モータ４の供給する電力を制御する。モータドライバ１８は、例えば、電界効果トランジスタ（Field effect transistor；略称ＦＥＴ）等のスイッチ素子を用いたハーフブリッジ回路を構成し、前記スイッチ素子のＯＮ－ＯＦＦデューティ比によりモータ印加電圧またはモータ電流を決定するＰＷＭ制御を行う構成とすると安価で高性能となる。あるいは、変圧回路等を設け、ＰＡＭ制御を行う構成とすることもできる。また、前記ハーフブリッジ回路のうち、電源装置３のプラス側との接続を行うＨアーム（High側線路）スイッチ素子のスイッチング用電位源として、Ｌアーム（Low側線路）スイッチ素子がＯＮとなった際に所定の電位源から電荷が蓄積され、Ｈアームスイッチ素子がＯＮとなる際にゲートに印加する電位源として機能するブートストラップコンデンサを用いたチャージ回路を設けてもよく、別途チャージポンプ回路等の昇圧回路を設けてもよい。
　＜機械結合状態推定部等の構成例＞
　図３は、図２に示す機械結合状態推定部２４および制御演算部２３の構成例を示す。この図３では、機械結合状態推定部２４は、推定荷重の結果に基づいて伝達部が接触（結合）状態にあるか離隔（離反）状態にあるかを判断し、この判断に基づいて制御演算部２３を切替える例を示す。
　アクチュエータ荷重が大きい場合において、荷重に対する反力により電動式アクチュエータの伝達部は概ね接触状態が維持される。一方、荷重が小さい場合において、反力が発生しないかまたは微小であるため、例えば、モータトルクの方向が反転した状況等において、伝達部が正転・逆転いずれの歯面も接触しない例えばバックラッシ中間に歯車が位置するバックラッシ中間動作となり得る。よって、機械結合状態推定部２４は、荷重が所定より小さい場合は伝達部が離隔状態にあると判断し、荷重が所定より大きい場合は伝達部が接触状態にあると判断することができる。
　機械結合状態推定部２４における離隔と接触の判断において、離隔と接触の間に中間状態の判断を設けてもよい。すなわち、例えば荷重において、離隔と判断する第一の閾値と、接触と判断する第二の閾値とを設け、前記第一の閾値と第二の閾値間は中間状態として、離隔と接触が連続的に切り替わる処理としてもよい。制御演算部２３は、前記中間状態において、機械結合状態推定部２４の推定結果が前記接触状態に近くなると第一の制御演算部２３ａの使用が強調され、前記推定結果が前記離隔状態に近くなると第二の制御演算部２３ｂの使用が強調される制御切替部２３ｃを有する。これにより、実際のアクチュエータ動作における伝達部の状態と、結合状態推定結果との間に誤差が生じるような場合においても、制御切替時のチャタリング等の発生を防止することができる。あるいは、より簡潔な処理とするため、所定の閾値の大小に基づく二値切替としてもよい。
　制御演算部２３は、目標モータ角度と、推定モータ角度と、から制御演算を行う第一および第二の制御演算部２３ａ，２３ｂと、これら第一および第二の制御演算部２３ａ，２３ｂをスイッチ２６により切替える制御切替部２３ｃとを備える。第一および第二の制御演算部２３ａ，２３ｂは、それぞれ、与えられた目標モータ角度（目標値）に対して、推定モータ角度である制御量を追従制御する。第一および第二の制御演算部２３ａ，２３ｂは、モータ角度に代えて荷重を入力として制御するものであってもよく、その両方を含むものであってもよい。また、本図３に示すスイッチ２６は、二値の切替のみならず、その中間状態を選択できるものであってもよい。さらに、第三以降の制御演算部を設けてもよい。
　＜作用効果について＞
　以上説明した電動式アクチュエータＤＡおよび電動ブレーキ装置１によれば、機械結合状態推定部２４により伝達部が接触状態が推定されたとき、制御演算部２３は、第一の制御演算部２３ａを有効として電動モータ４を制御する。この場合、電動式アクチュエータ全体の慣性モーメントを考慮して高速かつ高精度な制御性を発揮することが可能となる。一方、伝達部が離隔状態と推定されたとき、制御演算部２３は、電動モータ４の駆動力の大きさが第一の制御演算部２３ａの場合より小さく演算される第二の制御演算部２３ｂを有効とする。この場合、バックラッシ等の影響を受けやすい荷重ゼロから低荷重の状態において、例えばモータ慣性のみに基づく制御演算を行うことが可能となる。したがって、例えばバックラッシ間での等価慣性変動等に起因するモータ振動を抑制し、ＮＶＨを改善することが可能となる。また電動モータ４がバックラッシ間を揺動することを抑制することができ、これにより消費電力を抑制することも可能となる。
　＜他の実施形態について＞
　以下の説明においては、各実施の形態で先行して説明している事項に対応している部分には同一の参照符号を付し、重複する説明を略する。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、特に記載のない限り先行して説明している形態と同様とする。同一の構成から同一の作用効果を奏する。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。
　図４は、図２の構成例に対して、荷重推定器１９を設けず、荷重推定機能部である反力推定部１９Ａを運動状態推定器２０に設けた例を示す。前記反力推定部１９Ａは、例えば、状態推定オブザーバにおいて推定する状態量に反力を含め推定する機能であってもよく、例えば、制御対象モデルと実機との出力差に基づく外乱オブザーバであってもよい。このとき、例えば、ブレーキ荷重の制御は、前記反力が所定値となるよう制御する機能であってもよい。
　図５に示すように、機械結合状態推定部２４は、例えば、目標値である目標モータ角度と、制御量である推定モータ角度との偏差を用いて、伝達部の離隔・接触状態を判断してもよい。目標モータ角度と、推定モータ角度と、の偏差の絶対値が小さい場合、推定モータ角度を目標モータ角度に追従させるためにトルクの方向が反転する状況が発生し易く、すなわちバックラッシ中間状態が発生し易い。一方、前記偏差の絶対値が大きい場合、当面は推定モータ角度を目標モータ角度に追従させるために電動モータは偏差を縮小する一方向に回転するため、バックラッシ中間状態が発生し難い。
　したがって、機械結合状態推定部２４は、前記偏差の絶対値が定められた値より小さい場合において伝達部が離隔状態にあると判断し、前記偏差の絶対値が定められた値より大きい場合において伝達部が接触状態にあると判断することができる。モータ角度偏差が比較的大きい場合は電動モータが角度偏差を縮小するよう継続して一方向に回転するため、伝達部が接触し得る状態にあり、角度偏差が比較的小さい場合は角度偏差をゼロまたは許容範囲内に収束させるために電動モータが回転方向を変化させる可能性が高く、伝達部が離隔し易い状態にある。よって、機械結合状態推定部２４は、電動モータの角度偏差に基づいて、伝達部の離隔・接触状態を推定することができる。なお、本図の推定モータ角度および目標モータ角度の偏差に代えて、推定荷重と目標荷重との偏差を用いることもできる。また、荷重が十分に大きい場合は、前記偏差の大小に依らず、荷重の反力によって伝達部が接触状態であると判断することができる。
　したがって、推定荷重に基づいて離隔・接触状態の推定を行うかを判断する結合状態推定実行判断部２７を機械結合状態推定部２４に設け、推定荷重が所定より大きい場合は接触状態であると判断することができる。この構成によると、偏差の絶対値が定められた値よりも小さいとき伝達部が離隔状態にあると推定し第二の制御演算部２３ｂに切替える。こうすることで、バックラッシ中において伝達部の接触面が離隔して電動式アクチュエータの等価慣性モーメントが小さくなり、応答が振動的となることによるＮＶＨの増加および制御性の低下を防止し得る。
　このとき、図５の例に代えて、図３に示す推定荷重に基づく離隔・接触状態の判断を併用し、例えば、互いの判断結果を加算または乗算等によって導出された離隔・接触状態の判断結果を用いてもよい。
　図６は、電動モータに外力によって発生する外乱を推定し、この推定外乱に基づいて離隔・接触状態を判断する例を示す。この例では、制御装置は、電動モータの駆動力に対する反力を含む、電動モータへ印加される外乱（推定外乱）を推定する外乱推定部２８を有する。機械結合状態推定部２４は、伝達部の離隔・接触状態の推定結果を記憶する機能を有し、記憶された前記推定結果が接触状態である状況において、推定外乱として、電動モータの駆動力と同一の方向に定められた大きさ以上の外乱が加わったと推定されたとき、機械結合状態推定部２４は、前記推定結果を接触状態から離隔状態へと遷移させる機能を有する。前記推定外乱は、例えば、操作量、制御量、および電動式アクチュエータの運動方程式等に基づく外乱推定オブザーバ等により導出してもよい。
　荷重が小さい場合において、電動モータ外乱として発生するのは主に摩擦力に起因する回転抵抗、摺動抵抗、あるいは動粘性による抵抗力と考えられる。換言すれば、外乱としてはモータトルクを減少させる外乱力が主であると考えられる。このとき、モータトルクを増加させる外乱が推定された場合、換言すれば、所定の操作量に対して運動方程式による推定よりも電動モータに大きな角加速度が発生した場合、電動式アクチュエータの慣性モーメント低下によるものであると考えられる。
　すなわち、バックラッシ中間状態となって伝達部が離隔状態となるため、荷重が小さく、かつ、前記推定外乱がアシスト力であった場合に、離隔・接触状態は離隔と判断することができる。なお、前記アシスト力による判断は、モータトルク誤差等の影響を除外するため、前記推定外乱が所定より大きいアシスト力である場合により判断してもよい。また、離隔・接触状態が離隔から接触に推移したと判断する条件として、図６に示す荷重の他、例えば、図５に示す偏差を併用して用いてもよい。すなわち、偏差の絶対値が所定以上となった場合において、図５と共に記載の理由により離隔・接触状態は接触状態であると判断してもよい。
　図６の構成によると、荷重がゼロまたは小さい状態において、電動モータに印加される外乱は主に摩擦力であり、基本的には回転を阻害する力が作用する。そのような状況下において、電動モータの駆動力と同一方向に外乱が加わったと推定されるのは、主にモータ慣性が想定より低下した場合である。そのことから動力伝達機構がバックラッシ中に突入したことを判断できるため、第二の制御演算部２３ｂに適切に切替えることが可能となり、応答が振動的になることを防止し得る。
　図７は、電動モータの角加速度を推定し、この推定角加速度に基づいて離隔・接触状態を判断する例を示す。制御装置に、前記角加速度を推定する角加速度推定器２９が設けられている。前記角加速度は、例えば、推定角度の微分、または状態推定オブザーバ等により導出してもよい。荷重が小さい場合において、電動モータ外乱として発生するのは主に摩擦力に起因する回転抵抗、摺動抵抗、あるいは動粘性による抵抗力と考えられる。換言すれば、外乱としてはモータトルクを減少させる外乱力が主であると考えられる。このとき、モータ角加速度の絶対値が電動式アクチュエータ全体の慣性モーメントに対して発生し得る角加速度より大きくなった場合、電動式アクチュエータの慣性モーメント低下によるものであると考えられる。
　すなわち、バックラッシ中間状態となって伝達部が離隔した状態であるため、角加速度の絶対値が所定より大きくなった場合に、離隔・接触状態は離隔したと判断することができる。前記角加速度の絶対値が所定より大きくなった場合とは、例えば、モータトルク等の所定の操作量および慣性モーメントから導出し得る角加速度の大きさを超過した場合とすると好ましいが、処理を簡潔にするため、発生し得る最大の角加速度の大きさを超過した場合としてもよい。また、前記角加速度の大きさを超過した場合とは、モータトルク誤差の影響を考慮した閾値とすることが好ましい。
　なお、前記とは逆に、電動モータ回転子の慣性モーメントおよび電動モータトルクに基づいて角加速度の大きさの下限値（正・負を問わず大きさ）を設定し、前記角加速度の大きさが下限値より小さくなった場合に伝達部が接触したと判断することもできる。前記角加速度は、角速度の微分値であってもよく、あるいは慣性モーメントおよびモータトルクに基づいて所定時間先の角速度を推定し、前記所定時間が経過した後の加速度に基づく伝達部の離隔・接触状態の推定を行ってもよい。前記所定時間は、例えば、制御周期の一周期先となる時間であってもよい。
　図８は、目標モータ角度に対する推定モータ角度のゼロ・クロッシングを検知し、前記検知に基づいて離隔・接触状態を判断する例を示す。この例では、制御装置は、目標モータ角度と、推定モータ角度（推定角度）との偏差が正から負または負から正へと推移したことを検出するゼロ・クロッシング検出部３０を有する。機械結合状態推定部２４は、離隔・接触状態の推定結果を記憶する機能を有し、記憶された前記推定結果が接触状態である状況において、前記偏差の正から負または負から正への推移が定められた時間内に複数回発生したとき、前記機械結合状態推定部２４は、前記推定結果を接触状態から離隔状態へと遷移させる機能を有する。なお、本図８の他、例えば、極めて小さい荷重を制御する場合等において、目標荷重に対する推定荷重のゼロ・クロッシングを用いてもよい。
　伝達部が接触状態から離隔状態となり、慣性モーメントが主にモータ回転子のみにまで低下した場合、電動式アクチュエータ全体の慣性モーメントが想定した制御演算による操作量では過大となり、所定の指令値に対して操作量がチャタリングする場合が多い。その際、比較的周期の短いゼロ・クロッシングが発生するため、ゼロ・クロッシング周期が所定時間より短い場合、離隔・接触状態が離隔であると判断することができる。またゼロ・クロッシング周期が所定時間以上の場合、接触状態と判断し得る。すなわち伝達部が離隔して慣性モーメントが減少し制御安定性が低下した場合において、慣性モーメントが減少しなければ発生し得ない短周期でのゼロ・クロッシングが発生するため、伝達部の離隔・接触状態を推定することができる。
　上記の各形態の機械結合状態推定部２４におけるいずれかまたは複数について、各推定要素につき伝達部が離隔したと判断する閾値と、伝達部が接触したと判断する閾値に基づいて、制御切替部２３は第一および第二の制御演算部２３ａ，２３ｂを切替えることができる。このとき、複数の閾値の中間値において、伝達部の離隔または接触の度合として判断し、これら度合に基づいて、前記第一および第二の制御演算部２３ａ，２３ｂの影響度合いを決定してもよい。このように平滑的な切替を行うことで、例えば、切替動作そのものに起因したＮＶＨの悪化等を防止できる。
　この構成によると、バックラッシ等の影響で等価慣性がモータ回転子のみに減少し、応答が振動的になった場合、等価慣性が電動式アクチュエータ全体の場合と比較して、高周波なゼロ・クロッシングが発生する。このため、本構成により動力伝達機構のバックラッシ中間状態が発生したことを判断できるため、第二の制御演算部２３ｂに適切に切替えることが可能となり、応答が振動的になることを防止し得る。なお、ノイズ等の影響による誤検出を除外するため、例えば、所定の振幅を超えるゼロ・クロッシングのみ検知する処理としてもよく、所定の周期範囲内のゼロ・クロッシングが所定時間以上継続して発生したことによる判断を行ってもよい。前記図３、図５～図８の手法は、矛盾を生じない範囲において適宜併用してもよい。
　図９は、図２の構成例に対して、直動式のアクチュエータ本体ＡＨではなく回転式のアクチュエータ本体ＡＨとして、電動ステアリング装置を構成する例を示す。この例は、図２の構成例に対して、直動荷重に代えて回転トルク負荷を扱う以外は、概ね同一の構成となる。トルクセンサＳｃは、例えば、ステアリングロッド等の捩れからトルクを推定する機能であってもよい。
　各ブロック図はあくまで機能構成の概念を示したものであり、図示外の要素は要件に応じて適宜設けられるものとする。また、各機能ブロックは便宜上設けているものであり、実装上の都合に伴い適宜統合ないし分割可能であるものとする。各実施形態は機能の矛盾が発生しない範囲において、適宜併用する構成とすることもできる。例えば、図２の例において図４に示す反力推定部１９Ａを設け、外乱相殺制御等に利用する構成とすることもできる。また、各機能の接続形態は一つの例として示すものであり、機能に支障をきたさない範囲で変更できるものとする。
　また、基本的に各図の構成を踏襲した別アプリケーションの構築についても、適宜可能であるものとする。例えば、図２、図４に記載の電動ブレーキ装置において、直動機構にプレス型等を接続した電動プレス装置への適用も可能であり、また、図９に示す電動ステアリング装置において、減速機にバルブ装置等を接続し、バルブ開度を制御するような電動バルブ装置等への適用も可能である。
　電動モータ４として、例えば、ブラシを用いたＤＣモータ、永久磁石を用いないリラクタンスモータ、あるいは誘導モータ等を適用することもできる。減速機５は、例えば、ウォーム歯車、遊星歯車等の減速機を用いてもよい。あるいは、要件として負荷が小さくてもよい場合などにおいては、減速をしない単純な機械結合系（減速比≒１）としてもよく、あるいは増速機としてもよい（減速比＜１）。
　直動機構６は、遊星ローラねじ、ボールねじ等の各種ねじ機構、ボールランプ等、回転軸周方向の傾斜により回転運動を直進運動に変換する各種機構を用いることができる。
　以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更、削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
２…制御装置
４…電動モータ
５…減速機
６…直動機構（動力伝達機構）
８…ブレーキロータ
９…摩擦材
１９…荷重推定器（荷重推定機能部）
２０ａ…角度推定部
２３…制御演算部
２３ａ，２３ｂ…第一，第二の制御演算部
２３ｃ…制御切替部
２４…機械結合状態推定部
２８…外乱推定部
３０…ゼロ・クロッシング検出部
ＤＡ…電動式アクチュエータ

Claims (7)

  1. 　電動モータと、この電動モータの駆動力を、正方向と逆方向の動作の切換により接触状態と離隔状態とが生じるための遊びを有する伝達部を介して伝達する動力伝達機構と、前記電動モータを制御する制御装置とを備える電動式アクチュエータであって、
    　前記制御装置は、
    　前記電動モータのモータ角度を推定する角度推定部と、
    　前記電動モータの駆動力が前記動力伝達機構を介して作用する荷重を推定する荷重推定機能部と、
    　前記荷重または前記モータ角度の推定値を操作量とし、与えられた目標値に対して、前記荷重または前記モータ角度の推定値である制御量を追従制御する制御演算部と、
    　前記荷重の推定値が定められた値よりも小さいとき前記伝達部が離隔状態にあり、前記荷重の推定値が定められた値よりも大きいとき前記伝達部が接触状態にあると推定する機械結合状態推定部と、を備え、
    　前記制御演算部は、
    　前記機械結合状態推定部により前記伝達部が接触状態にあると推定されたとき前記電動モータを定められた条件に従って制御する第一の制御演算部と、
    　前記機械結合状態推定部により前記伝達部が離隔状態にあると推定されたとき前記電動モータの駆動力の大きさが前記第一の制御演算部の場合より小さく演算される第二の制御演算部とを有する電動式アクチュエータ。
  2. 　請求項１に記載の電動式アクチュエータにおいて、前記機械結合状態推定部は、与えられた指令入力から導出される荷重またはモータ角度のいずれかの前記目標値と、前記制御量との偏差の絶対値が定められた値よりも小さいとき前記伝達部が離隔状態にあると推定し、前記偏差の絶対値が定められた値よりも大きいとき前記伝達部が接触状態にあると推定する電動式アクチュエータ。
  3. 　請求項１または請求項２に記載の電動式アクチュエータにおいて、前記制御装置は、前記電動モータの駆動力に対する反力を含む、前記電動モータへ印加される外乱を推定する外乱推定部を有し、
    　前記機械結合状態推定部は、前記伝達部が接触状態または離隔状態にあると推定した推定結果を記憶する機能を有し、記憶された前記推定結果が接触状態である状況において、前記外乱推定部で推定された外乱として、前記電動モータの駆動力と同一の方向に定められた大きさ以上の外乱が加わったと推定されたとき、前記機械結合状態推定部は、前記推定結果を接触状態から離隔状態へと遷移させる機能を有する電動式アクチュエータ。
  4. 　請求項１または請求項２に記載の電動式アクチュエータにおいて、
    　前記制御装置は、前記目標値に対して前記制御量を追従制御するとき、前記電動モータの出力トルクまたはこの出力トルクに依存する値を決定する機能と、前記電動モータの角加速度を推定する機能と、を有し、
    　前記機械結合状態推定部は、前記伝達部が接触状態または離隔状態にあると推定した推定結果を記憶する機能を有し、記憶された前記推定結果が接触状態である状況において、推定された前記角加速度の大きさが定められた値より大きいと推定されたとき、前記機械結合状態推定部は、前記推定結果を接触状態から離隔状態へと遷移させる機能を有する電動式アクチュエータ。
  5. 　請求項１または請求項２に記載の電動式アクチュエータにおいて、
    　前記制御装置は、前記目標値である目標モータ角度と、前記モータ角度の推定値である推定角度と、の偏差が正から負または負から正へと推移したことを検出するゼロ・クロッシング検出部を有し、
    　前記機械結合状態推定部は、前記伝達部が接触状態または離隔状態にあると推定した推定結果を記憶する機能を有し、記憶された前記推定結果が接触状態である状況において、前記偏差の正から負または負から正への推移が定められた時間内に複数回発生したとき、前記機械結合状態推定部は、前記推定結果を接触状態から離隔状態へと遷移させる機能を有する電動式アクチュエータ。
  6. 　請求項１または請求項２に記載の電動式アクチュエータにおいて、
    　前記機械結合状態推定部は、前記離隔状態にあるか前記接触状態にあるかを判断する条件において、前記伝達部が接触状態にあると推定する第一の閾値と、前記伝達部が離隔状態にあると推定する、前記第一の閾値とは異なる第二の閾値と、を備え、
    　前記制御演算部は、前記第一および第二の閾値の中間状態において、前記機械結合状態推定部の推定結果が前記接触状態に近くなると前記第一の制御演算部の使用が強調され、前記推定結果が前記離隔状態に近くなると前記第二の制御演算部の使用が強調される制御切替部を有する電動式アクチュエータ。
  7. 　請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の電動式アクチュエータと、この電動式アクチュエータによって操作される摩擦材と、この摩擦材との接触により制動力を発生させるブレーキロータと、を備えた電動ブレーキ装置。
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