JP2019018693A - 電動式直動アクチュエータおよび電動ブレーキ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位置制御と荷重制御を適切に切替えて、安定した制御を行うことができると共に、コスト低減を図ることができる電動式直動アクチュエータおよび電動ブレーキ装置を提供する。【解決手段】この電動式直動アクチュエータＤＡの制御装置２は、荷重推定機能部２０と、位置推定機能部２１と、荷重制御機能部２２と、位置制御機能部２３と、制御切替機能部２４とを備える。制御切替機能部２４は、位置制御機能部２３に切替え状態で、且つ、無負荷状態から荷重を発揮させるとき、且つ、推定荷重が第一の閾値を上回る場合に、位置制御機能部２３から荷重制御機能部２２に切替える。荷重制御機能部２３に切替え状態で、且つ、荷重を減少させるかまたは零とするとき、且つ、荷重が第一の閾値よりも大きな第二の閾値を下回る場合に、荷重制御機能部２２から位置制御機能部２３に切替える。【選択図】図２

Description

この発明は、例えば、車両等に搭載される電動式直動アクチュエータおよび電動ブレーキ装置に関し、位置制御と荷重制御を適切に切替えて、安定した制御を行うことができる技術に関する。

電動式直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．電動モータ、直動機構および減速機を使用した電動ブレーキ用アクチュエータ（特許文献１）。
２．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２）。
３．歪みゲージで軸方向の荷重を検出する電動ブレーキ（特許文献３）。
４．荷重負荷領域と無負荷領域の境界近傍では、換算荷重に基づいて電動モータの制御を行う電動式直動アクチュエータ（特許文献４）。前記換算荷重は、直動部材が荷重負荷領域と無負荷領域とをまたいで移動するときに、負の荷重と正の荷重との間で連続的に変化するように設定されている。

特開平６−３２７１９０号公報 特開２００６−１９４３５６号公報 特表２００１−５０７７７９号公報 特開２００４−８８９１１号公報

例えば、特許文献１〜３のような、対象物に荷重を印加する電動式直動アクチュエータにおいて、荷重を印加する場合は、推定した荷重が所定の目標値に追従するよう荷重制御を行い、荷重を零にする場合は、モータ角度等から推定したアクチュエータの位置が所定の目標値に追従するよう位置制御を行うことが一般的に知られている。
前記位置制御と前記荷重制御とを切替える場合に、特に比較的小さな荷重において適切な切替が困難となる場合がある。

例えば、特許文献３，４のような、軸方向の荷重を検出する荷重センサを用いる場合において、特に比較的大きな荷重が発揮された場合などに、荷重の印加を開始および終了した時点での車両姿勢の変化、および各部の摩擦等に影響により、荷重ゼロを示す出力がオフセットする場合がある。
また、各部の摩擦等の影響により、特に比較的小さな荷重の状態において、減圧時に荷重センサの出力がヒステリシスを有して変化しない場合がある。このような場合に、ある一定の閾値に対して制御切替を行う手法をとると、前記の荷重センサの誤差等により適切な制御切替が行えない場合がある。この問題の対策として、精度の高いセンサを用いる場合、高コスト等が問題となる場合がある。

この発明の目的は、位置制御と荷重制御を適切に切替えて、安定した制御を行うことができると共に、コスト低減を図ることができる電動式直動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。

この発明の電動式直動アクチュエータＤＡは、電動モータ４と、この電動モータ４の回転運動を直動部１４の直進運動に変換する直動機構６と、前記電動モータ４を制御する制御装置２とを備えた電動式直動アクチュエータにおいて、
前記制御装置２は、
前記直動機構６の軸方向荷重を推定する荷重推定機能部２０と、
前記直動機構６における前記直動部１４の軸方向位置を推定する位置推定機能部２１と、
前記荷重推定機能部２０の推定結果である推定荷重に基づいて、前記直動機構６の荷重を制御する荷重制御機能部２２と、
前記位置推定機能部２１の推定結果である推定位置に基づいて、前記直動機構６の前記直動部１４の軸方向位置を制御する位置制御機能部２３と、
前記荷重制御機能部２２および前記位置制御機能部２３のいずれか一方に切替える制御切替機能部２４と、を備え、
前記制御切替機能部２４は、
前記位置制御機能部２３に切替えられている状態であり、且つ、前記直動機構６の荷重が負荷されない無負荷状態から前記直動機構６の荷重を発揮させるときであり、且つ、前記推定荷重が第一の閾値を上回ると言う第一の判定条件を充足する場合に、前記位置制御機能部２３から前記荷重制御機能部２２に切替え、
前記荷重制御機能部２３に切替えられている状態であり、且つ、前記直動機構６の荷重を減少させるかまたは零とするときであり、且つ、前記荷重が、前記第一の閾値よりも大きな第二の閾値を下回ると言う第二の判定条件を充足する場合に、前記荷重制御機能部２２から前記位置制御機能部２３に切替える。
第一，第二の閾値は、それぞれ設計等によって任意に定める閾値であって、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閾値を求めて定められる。但し、第一の閾値よりも第二の閾値が大きい。

この構成によると、制御切替機能部２４により位置制御機能部２３に切替えられているとき、この位置制御機能部２３は、推定位置に基づいて、直動機構６の直動部１４の軸方向位置を制御する。制御切替機能部２４は、第一の判定条件を充足すると、位置制御機能部２３から荷重制御機能部２２に切替える。第一の判定条件を充足するとは、次の三つの条件１−１、１−２、１−３を全て充足することである。
条件１−１：位置制御機能部２３に切替えられている状態である。
条件１−２：無負荷状態から荷重を発揮させるときである。
条件１−３：推定荷重が第一の閾値を上回る。
制御切替機能部２４により荷重制御機能部２２に切替えられているとき、この荷重制御機能部２２は、推定荷重に基づいて、直動機構６の荷重を制御する。

制御切替機能部２４は、第二の判定条件を充足すると、荷重制御機能部２２から位置制御機能部２３に切替える。第二の判定条件を充足するとは、次の三つの条件２−１、２−２、２−３を全て充足することである。
条件２−１：荷重制御機能部２２に切替えられている状態である。
条件２−２：荷重を減少させるかまたは零とするときである。
条件２−３：荷重が第二の閾値を下回る。

荷重が負荷されない無負荷状態から増圧する場合は、荷重が零の状態から推定荷重がどれだけ変化したかを観測すればよいため、第一の閾値として、比較的小さな閾値を用いても誤判定なく位置制御から荷重制御への切替が行えることが期待できる。
一方、荷重が印加された状態から減圧する場合、電動式直動アクチュエータ内の摩擦に起因するゼロ点のオフセット等の影響を考慮し、誤判定を防止するために、第二の閾値として、比較的大きな閾値とする。
よって、位置制御から荷重制御に切替える第一の判定条件と、荷重制御から位置制御に切替える第二の判定条件とを、異なる条件とすることで、制御切替の誤判定を防止しつつ荷重制御精度を向上することができる。したがって、高精度の荷重センサを用いることなく位置制御と荷重制御を適切に切替えて、安定した制御を行うことができる。

前回に荷重を零とした状態から前記荷重制御機能部２２の実行状態にて推定された推定荷重の履歴を記憶する記憶手段３０を備え、前記制御切替機能部２４は、前記記憶手段３０に記憶された推定荷重における最大荷重が大きくなる程、前記第一の閾値に対して前記第二の閾値が大きな値となるものであってもよい。
この構成によると、比較的大きな荷重が印加されることにより、電動式直動アクチュエータ内の微小な摩擦等の影響で、例えば、軸方向荷重を推定するためのセンサ出力のゼロ点のオフセットが生じやすい場合がある。このため、記憶された推定荷重における最大荷重が大きくなる程、第二閾値を大きくすることで、前記オフセットに起因する制御切替の誤判定を防止することができる。

前記制御切替機能部２４は、前記荷重制御機能部２２の実行状態で前記直動機構６の荷重を増圧するとき、前記荷重制御機能部２２の実行状態を継続し、前記荷重制御機能部２２の実行状態で前記直動機構６の荷重を減圧するとき、前記位置制御機能部２３による位置制御を実行させてもよい。
微小な荷重に対して、増圧側はセンサ出力が単調増加する場合でも、減圧側は摩擦等の影響でヒステリシスを有してセンサ出力が単調減少とならない場合がある。このため、荷重制御機能部２２の実行状態で前記直動機構６の荷重を減圧するとき、推定荷重を用いずに位置制御機能部２３による位置制御を行うことで、電動式直動アクチュエータＤＡの誤動作を防止することができる。

前記荷重を減圧するとき前記位置制御機能部２３に切替える構成において、前記荷重制御機能部２２から前記位置制御機能部２３に切替えるときの推定荷重を記憶する記憶手段３０を備え、前記制御切替機能部２４は、前記位置制御機能部２３に切替えられた状態で前記直動機構６の荷重を増圧するとき、前記記憶手段３０に記憶された推定荷重に到達するまで前記位置制御機能部２３による制御を継続し、前記推定荷重に到達後、前記位置制御機能部２３から前記荷重制御機能部２２に切替えてもよい。

荷重を減圧するときに位置制御機能部２３に切替えられた状態で、且つ微小な荷重領域において、再び荷重を増圧に転じても、前記ヒステリシスに起因して荷重を推定するためのセンサ出力に誤差が生じる場合がある。そこで、荷重制御機能部２２から位置制御機能部２３に切替えるときの推定荷重を記憶しておき、記憶された推定荷重に到達するまで前記位置制御機能部２３による制御を継続することで、電動式直動アクチュエータＤＡの誤動作を防止することができる。

前記位置推定機能部２１は、前記推定荷重および前記推定位置に基づいて、前記直動機構６が荷重を印加可能な状態になるまでの空隙を推定する機能を有し、前記制御切替機能部２４は、推定される前記空隙が大きくなる程、前記第一の閾値を大きく設定してもよい。
前記空隙は、直動機構６と、直動機構６が荷重を印加させる対象物との間の隙間である。
空隙が大きいとき程、荷重が発生する可能性が低く、且つ誤判定して制御切替をしてしまった際のアクチュエータの動作異常の影響が大きくなる。このため、推定される前記空隙（推定空隙）が大きい程、第一の閾値を大きく設定することで、制御切替の誤判定を防止することができる。このように推定空隙に応じて、第一の閾値を変更することで、制御切替の誤判定に対するリスクを軽減することができる。

前記位置推定機能部２１は、前記推定荷重および前記推定位置に基づいて、前記直動機構６が荷重を印加可能な状態になるまでの空隙を推定する機能を有し、前記荷重推定機能部２０は、推定される前記空隙が定められた空隙より大きい状態における推定荷重を、荷重が零に相当する基準として荷重を推定してもよい。
前記定められた空隙は、設計等によって任意に定める空隙であって、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空隙を求めて定められる。
この構成によると、推定空隙が定められた空隙より大きい場合、直動機構６の荷重は略零であることが期待できる。このため、推定空隙が定められた空隙より大きい条件を満たすとき、前記推定荷重を、荷重が零に相当する基準として荷重を推定し得る。

前記位置推定機能部２１は、前記推定荷重および前記推定位置に基づいて、前記直動機構６が荷重を印加可能な状態になるまでの空隙を推定する機能を有し、前記位置制御機能部２１が、荷重を印加する要求がある状態で実行されるとき、前記位置制御機能部２３は、前記電動式直動アクチュエータＤＡの剛性を含む情報から定められた荷重となり得る目標位置を導出し、この目標位置に対して前記推定位置を追従させる追従制御を実行する機能を有し、
前記制御切替機能部２４は、前記無負荷状態における前記位置制御機能部２３の実行状態から荷重を印加させるとき、前記第一の判定条件を充足しない状態で前記空隙が設定値より小さいかまたは零と判断されるか、または、前記位置制御機能部２３にて前記目標位置と前記推定位置との偏差に基づき位置制御が達成されたと判断されたとき、前記第一の判定条件を充足するまで前記直動機構６の前記直動部１４を荷重印加方向に移動させる近接制御機能を有するものであってもよい。
前記定められた荷重は、設計等によって任意に定める荷重であって、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荷重を求めて定められる。

この構成によると、位置推定機能部２１は、推定荷重および推定位置に基づいて、荷重を印加可能な状態になるまでの空隙を推定する。位置制御機能部２３が、荷重を印加する要求がある状態で実行されるとき、位置制御機能部２３は、電動式直動アクチュエータＤＡの剛性を含む情報から定められた荷重となり得る目標位置を導出し、この目標位置に対して前記推定位置を追従させる追従制御を実行する。

温度変化に伴う体積変動および機械結合部のバックラッシ等の影響により、荷重がかかるはずの直動部１４の位置でも荷重が発生しない場合がある。このため、位置制御のみでは特に微小な荷重指令値に対して実際に荷重がかからない場合がある。この構成によると、前記のように微小な荷重指令値に対して実際に荷重がかからない場合に、直動部１４を荷重印加方向に移動させることで、確実に荷重をかけることができる。

前記制御装置２は、前記電動モータ４の角加速度を推定する機能を有し、前記制御切替機能部２４は、推定された前記角加速度が定められた角加速度より大きいとき、第一の閾値を基準となる値よりも大きくしてもよい。
前記定められた角加速度、基準となる値は、それぞれ設計等によって任意に定める角加速度、基準となる値であって、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角加速度、基準となる値を求めて定められる。

電動モータ４の角加速度が大きい動作をさせた場合、直動機構６の慣性等の影響により、実際に荷重が発生していない場合においても、荷重を推定するためのセンサが反応する場合がある。そのため、この構成によると、推定された角加速度が定められた角加速度より大きいとき、第一の閾値を基準となる値よりも大きくすることで、荷重が印加されたと誤判定することを防止することができる。

前記荷重制御機能部２２は、前記推定荷重および前記電動式直動アクチュエータＤＡの剛性に基づき算出する前記直動部１４の計算位置と、前記推定位置との偏差を用いて目標値およびフィードバック値のいずれか一方または両方を補正する位置制御であり、前記制御切替機能部２４は、前記位置制御における補正量を零とする前記位置制御機能部２３か、前記補正量を零としない前記荷重制御機能部２２に切替えてもよい。このように位置制御における補正量を零とするか否かを切替えることで、位置制御機能部２３および荷重制御機能部２２のいずれか一方を選択的に切替えることができる。

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直動アクチュエータＤＡと、この電動式直動アクチュエータ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、いずれかの電動式直動アクチュエータＤＡを備えているため、制御切替の誤判定を防止しつつ荷重制御精度を向上することができる。

この発明の電動式直動アクチュエータは、電動モータと、この電動モータの回転運動を直動部の直進運動に変換する直動機構と、前記電動モータを制御する制御装置とを備えた電動式直動アクチュエータにおいて、前記制御装置は、前記直動機構の軸方向荷重を推定する荷重推定機能部と、前記直動機構における前記直動部の軸方向位置を推定する位置推定機能部と、前記荷重推定機能部の推定結果である推定荷重に基づいて、前記直動機構の荷重を制御する荷重制御機能部と、前記位置推定機能部の推定結果である推定位置に基づいて、前記直動機構の前記直動部の軸方向位置を制御する位置制御機能部と、前記荷重制御機能部および前記位置制御機能部のいずれか一方に切替える制御切替機能部と、を備え、前記制御切替機能部は、前記位置制御機能部に切替えられている状態であり、且つ、前記直動機構の荷重が負荷されない無負荷状態から前記直動機構の荷重を発揮させるときであり、且つ、前記推定荷重が第一の閾値を上回ると言う第一の判定条件を充足する場合に、前記位置制御機能部から前記荷重制御機能部に切替え、前記荷重制御機能部に切替えられている状態であり、且つ、前記直動機構の荷重を減少させるかまたは零とするときであり、且つ、前記荷重が、前記第一の閾値よりも大きな第二の閾値を下回ると言う第二の判定条件を充足する場合に、前記荷重制御機能部から前記位置制御機能部に切替える。このため、位置制御と荷重制御を適切に切替えて、安定した制御を行うことができると共に、コスト低減を図ることができる。

この発明の電動ブレーキ装置は、前記いずれかに記載の電動式直動アクチュエータと、この電動式直動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、を備えているため、位置制御と荷重制御を適切に切替えて、安定した制御を行うことができると共に、コスト低減を図ることができる。

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直動アクチュエータの制御系のブロック図である。 同制御系の荷重制御機能部の実行中の構成例を示すブロック図である。 同制御系の位置制御機能部を実行する際の構成例を示すブロック図である。 制御切替機能部の実行例を段階的に示すフローチャートである。 この発明の他の実施形態に係る電動式直動アクチュエータの制御切替機能部等のブロック図である。 同制御切替機能部により位置制御機能部に切替えた構成例を示すブロック図である。

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６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、電動式直動アクチュエータＤＡと、摩擦ブレーキＢＲとを備える。先ず、電動式直動アクチュエータＤＡおよび摩擦ブレーキＢＲの構造について説明する。

＜電動式直動アクチュエータ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、電動式直動アクチュエータＤＡは、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。アクチュエータ本体ＡＨは、電動モータ４と、減速機構５と、直動機構６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トルクとなり好適であるが、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。

摩擦ブレーキＢＲは、車両の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、電動式直動アクチュエータＤＡによって操作される。摩擦材９を、電動式直動アクチュエータ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。

減速機構５は、電動モータ４の回転を減速する機構であり、一次歯車１２、中間歯車１３、および三次歯車１１を含む。この例では、減速機構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に伝達可能としている。

直動機構６は、減速機構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の回転を減速機構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性能かつ信頼性が高く好適であるが、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、モータ電流と荷重との関係によりモータ電流等から荷重をしてもよく、その他外部センサを用いて荷重を検出してもよい。外部センサとして、例えば、本実施形態に係る電動式直動アクチュエータＤＡを用いた電動ブレーキ装置１（図１）においては、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（図１）を搭載した車両の前後力を検出するセンサ等を用いることもできる。その他、サーミスタ等の各種センサ類を必要に応じて設けてもよい。

＜制御系について＞
図２は、この電動ブレーキ装置の電動式直動アクチュエータ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ＥＣＵ１７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電気制御ユニットが適用される。上位ＥＣＵ１７は、各制御装置２の統合制御機能を有する。上位ＥＣＵは「ＶＣＵ」とも称される。上位ＥＣＵ１７は指令手段１７ａを備え、この指令手段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に応じて、各制御装置２にブレーキ力指令値（指令信号）をそれぞれ出力する。なお指令手段１７ａは、ブレーキ操作手段の操作に依ることなく、例えば、自動運転車両における制動を判断して各制御装置２にブレーキ力指令値をそれぞれ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機能部と、モータドライバ１８とを備える。各種制御演算機能部は、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。前記各種制御演算機能部は、指令生成機能部１９、荷重推定機能部２０、位置推定機能部２１、荷重制御機能部２２、位置制御機能部２３および制御切替機能部２４を備える。

指令生成機能部１９は、指令手段１７ａより入力される指令信号から、荷重制御機能部２２および位置制御機能部２３の指令値をそれぞれ生成する機能を有する。指令生成機能部１９は、例えば、荷重制御機能部２２に対しては荷重センサＳａのゲインおよびレンジを考慮した荷重指令値を出力し得る。指令生成機能部１９は、例えば、位置制御機能部２３に対してはこの電動式直動アクチュエータＤＡの剛性等から定められた荷重を発揮し得る位置指令値、または荷重を零とする際に定められた空隙（クリアランス）となる位置指令値を出力し得る。前記空隙は、直動機構６と、この直動機構６が荷重を印加させる対象物であるブレーキロータ８（図１）との間の隙間である。

荷重推定機能部２０は、荷重センサＳｂの出力等から、直動機構６の軸方向荷重を推定する。位置推定機能部２１は、角度センサＳａの出力等から、直動機構６における直動部１４（図１）の軸方向位置を推定する。あるいは位置推定機能部２１は、モータ角度等の位置に相当し得る量を推定してもよい。また、一般に荷重を制御する直動アクチュエータにおいて、荷重を零とする際には荷重を印加させる対象物に対して所定の空隙を設けるため、位置推定機能部２１は、荷重センサＳｂ等の出力等から荷重が零の位置を推定し、空隙を推定する機能を設けることが好ましい。

荷重制御機能部２２は、指令生成機能部１９から与えられた目標とする荷重指令値に対して、荷重推定機能部２０にて演算される推定結果である推定荷重を追従させるよう、電動モータ操作量を決定する。位置制御機能部２３は、指令生成機能部１９から与えられた目標とする位置指令値に対して、位置推定機能部２１にて演算される推定位置を追従させるよう、電動モータ操作量を決定する。なお位置制御機能部２３は、入力された荷重指令値につき、アクチュエータ剛性等に基づき所定の荷重を発揮し得る角度を導出し、導出した角度指令値に対して、位置推定機能部２１にて演算されるフィードバック角度を追従させるよう、電動モータ操作量を決定してもよい。

制御切替機能部２４は、荷重推定機能部２０と、位置推定機能部２１と、指令手段１７ａから与えられるブレーキ力指令値とに基づいて、荷重制御機能部２２および位置制御機能部２３のいずれか一方に切替える機能を有する。制御切替機能部２４は、制御切替機能本体部２５と、切替スイッチ２６とを備える。制御切替機能本体部２５は、第１，第２の切替判断部２７，２８と、切替閾値設定部２９と、記憶手段３０とを有する。第１の切替判断部２７は、位置制御機能部２３による位置制御状態から、荷重制御機能部２２による荷重制御への切替を判断する。第２の切替判断部２８は、荷重制御状態から位置制御への切替を判断する。切替閾値設定部２９は、荷重推定機能部２０、位置推定機能部２１とブレーキ力指令値との組み合わせによって、各第１，第２の切替判断部２７，２８における判断にそれぞれ用いる第一，第二の閾値等を適宜設定する。第一，第二の閾値は記憶手段３０に書換え可能に記憶されている。

第１の切替判断部２７は、第一の判定条件を充足すると、位置制御機能部２３から荷重制御機能部２２に切替えるように切替スイッチ２６に指令を与える。第一の判定条件を充足するとは、次の三つの条件１−１、１−２、１−３を全て充足することである。
条件１−１：位置制御機能部２３に切替えられている状態である。
条件１−２：無負荷状態から荷重を発揮させるときである。
条件１−３：推定荷重が第一の閾値を上回る。

第２の切替判断部２８は、第二の判定条件を充足すると、荷重制御機能部２２から位置制御機能部２３に切替えるように切替スイッチ２６に指令を与える。第二の判定条件を充足するとは、次の三つの条件２−１、２−２、２−３を全て充足することである。
条件２−１：荷重制御機能部２２に切替えられている状態である。
条件２−２：荷重を減少させるかまたは零とするときである。
条件２−３：荷重が第二の閾値を下回る。但し、第一の閾値よりも第二の閾値が大きい。

モータドライバ１８は、電動モータ４のコイルに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。その他、図示外の電流センサ等の構成は必要に応じて適宜設けることができる。また、各機能部は便宜上ブロックとして設けているものであり、必要に応じて統合、分割してもよい。

＜制御切替機能部２４の構成について＞
図３および図４は、荷重制御機能部２２と位置制御機能部２３とを切替える制御切替機能部２４の構成例を示す。図３は、荷重制御機能部２２の実行中の構成例であるのに対し、図４は、位置制御機能部２３を実行する際の構成例を示す。制御切替機能本体部２５からの指令により、切替スイッチ２６を切替えることで、荷重制御機能部２２と位置制御機能部２３とを切替え得る。図３および図４に共通の構成要素として、荷重→角度変換器３１は、この電動式直動アクチュエータＤＡ（図２）の剛性等に基づき、所定の荷重を発揮し得るモータ角度を導出する機能を有する。

さらに、荷重→角度変換器３１は、例えば、荷重が零である場合において、必要に応じて所定の空隙となり得る角度を導出する機能を持たせることもできる。前記機能は、予めこの電動式直動アクチュエータＤＡ（図２）の剛性等を計測しルックアップテーブル（略称ＬＵＴ）等で実装すると、演算器で高速に処理できて好適であるが、所定の計算式等で実装することもできる。

差分演算器３２は、所定のサンプルステップ毎の推定角度（推定位置）の差分を演算する機能を有する。一般に、推定角度は、モータの機械角ないし電気角等の所定の周期でオーバーフローまたはアンダーフローしラップするため、モータの総回転角度を導出するうえで本機能のように所定サンプル間の推定角度の差分を演算すると好適である。
角度演算器３３は、差分演算器３２で求められた推定角度の差分を積算し、電動モータ４（図２）の総回転角度を計算する機能を有する。

図３に示す構成例は位置制御機能を有し、荷重制御機能部２２は、推定荷重からこの電動式直動アクチュエータＤＡ（図２）の剛性等の情報より荷重→角度変換器３４により導出される位置（角度）と、総回転角度との偏差から位置制御系の制御量等を補正する機能として実装する例を示す。同図３においては、フィードバック角度（フィードバック値）を補正する例を示すが、前記フィードバック角度を補正する例に代えて角度指令値を補正する構成とすることもできる。

荷重制御機能部２２の実行中の構成例である図３に対し、制御切替機能本体部２５からの指令により切替スイッチ２６を切替えて角度補正量を零とすることで、図４に示す位置制御機能部２３を実行し得る。

図３および図４の構成例によれば、制御演算部が角度制御器３５のみであるため、制御切替毎に制御変数の初期化等を行う必要がなく、この電動式直動アクチュエータＤＡ（図２）の剛性が非線形であっても、制御特性を所望の特性に設計し易い点で優位となる。その他、例えば、各制御器等の初期化等の図示外の構成要素は、必要に応じて適宜設けられるものとする。また、各機能部は便宜上ブロックとして分割されているものであり、必要に応じて統合、分割してもよい。

＜制御切替フロー例＞
図５は、この制御切替機能部の実行例を段階的に示すフローチャートである。以後、図図１、図２等も適宜参照しつつ説明する。
本処理開始後、制御切替機能部２４は、荷重制御機能部２２と位置制御機能部２３のどちらを実行中か判断する（ステップＳ１）。位置制御機能部２３の実行状態であるとの判断で（ステップＳ１：ｎｏ）、位置推定機能部２１は、直動機構６とブレーキロータ８との空隙が所定値Ｂｋ以上かを判断する（ステップＳ１１）。前記所定値Ｂｋは、直動機構６の荷重が十分に抜けていることを強く期待できる閾値として設定される。十分な空隙を有する場合（ステップＳ１１：ｙｅｓ）、この電動式直動アクチュエータＤＡの荷重は略零であることが期待できるため、推定荷重のゼロ点の更新を行う（ステップＳ１２）。

その後ステップＳ２に移行する。空隙が所定値Ｂｋ以上ではないとの判断で（ステップＳ１１：ｎｏ）、ステップＳ２に移行する。ステップＳ２では、位置制御機能部２３は、指令生成機能部１９から零ではない荷重指令値が入る、すなわち所定の荷重を発揮する要求を受け取ったか否かを判断する。荷重を印加する要求がない場合は（ステップＳ２：ｎｏ）、位置制御を継続する（ステップＳ１６）。その後本処理を終了する。

荷重を印加する要求がある場合（ステップＳ２：ｙｅｓ）、制御切替機能部２４は、推定荷重が所定の第１の閾値Ａｎを上回り、且つ、推定空隙が閾値Ｂｍを下回るかを判断する（ステップＳ３）。荷重を印加する要求がある場合、この電動式直動アクチュエータＤＡは荷重を印加する方向に駆動されているため、制御切替機能部２４は、推定荷重が第１の閾値Ａｎを上回った段階で荷重制御へと切替えるための判断を行う。その際、推定空隙が大きい程荷重が発生する可能性が低く、反対に推定空隙が小さい程荷重が発生する可能性が高い。

このため、本実施形態のように、推定荷重および推定空隙から荷重の発生を判断すると、より正確な制御切替が行える。但し、制御切替機能部２４は、推定空隙を考慮せず推定荷重のみで制御切替の判断を行ってもよい。また第１の閾値Ａｎおよび閾値Ｂｍのいずれか一方または両方について、複数の閾値もしくは組合せを設定して段階的な制御切替の判断を行ってもよく、第１の閾値Ａｎ、閾値Ｂｍをリニアな結合関数を用いて評価関数として、前記評価関数に対する制御切替の判断を行ってもよい。

ステップＳ３で切替閾値の条件を満たしていない場合（ステップＳ３：ｎｏ）、空隙が零になったか判断する（ステップＳ６）。前記空隙が零か否かの判断は、位置推定機能部２１により推定空隙が零になったか否かを判断してもよく、位置制御機能部２３により位置制御の追従が達成されたか否かを判断してもよい。空隙が零になったと判断された場合（ステップＳ６：ｙｅｓ）、制御切替機能部２４は、直動機構６を荷重印加方向に意図的に移動させる処理を行い（ステップＳ７）、位置制御を継続する（ステップＳ８）。

ステップＳ７のように、制御装置２が、直動機構６を荷重印加方向に意図的に移動させる近接制御機能を有するため、例えば、温度変化による膨張収縮および機械結合部のバックラッシ等の影響により、推定空隙と実際の空隙との誤差によって荷重が発生しない問題を解決し得る。ステップＳ６において、空隙が零になっていないとの判断で（ステップＳ６：ｎｏ）、位置制御を継続する（ステップＳ１６）。

ステップＳ３で切替閾値の条件を満たした場合（ステップＳ３：ｙｅｓ）、制御切替機能部２４は、荷重制御機能部２２による荷重制御に移行させ（ステップＳ４）、荷重制御機能部２２が荷重制御を実行する（ステップＳ５）。その後本処理を終了する。

荷重制御機能部２２の実行状態において（ステップＳ１：ｙｅｓ）、制御切替機能部２４は、一度の荷重制御実行中に発揮した推定荷重の履歴等から、発揮した最大荷重つまり荷重履歴の最大値を取得する（ステップＳ１３）。前記推定荷重の履歴は記憶手段３０に書換え可能に記憶されている。ここで、“一度の荷重制御”とは、無負荷状態である荷重零の状態から、荷重を発揮して再び荷重零に戻るまでの間を示すが、必要に応じて複数サイクルの履歴を用いてもよい。

制御切替機能部２４は、推定荷重における最大荷重が所定の閾値Ａｋを上回った場合、（ステップＳ１４：ｙｅｓ）、荷重制御から位置制御へ移行する第二の閾値Ａｘを修正する（ステップＳ１５）。ステップＳ１５の後、ステップＳ９に移行する。第二の閾値Ａｘの修正方法として、例えば、制御切替機能部２４は、最大荷重が大きくなる程、第一の閾値Ａｎに対して第二の閾値Ａｘが大きな値となるように修正する。この最大荷重と第二の閾値Ａｘとの関係は、例えば、記憶手段３０に記憶されている。推定荷重における最大荷重が所定の閾値Ａｋ以下の場合（ステップＳ１４：ｎｏ）、第二の閾値Ａｘを修正することなくステップＳ９に移行する。

ステップＳ９において、制御切替機能部２４は、荷重が第二の閾値Ａｘを下回ったかを判断する。荷重が第二の閾値Ａｘを下回らないとき（ステップＳ９：ｎｏ）、荷重制御を継続し（ステップＳ１８）、荷重が第二の閾値Ａｘを下回ったとき（ステップＳ９：ｙｅｓ）、ステップＳ２２に移行する。

ステップＳ２２で、制御切替機能部２４は、荷重履歴の最大値が第二の閾値Ａｘ以上かを判断する。すなわち、無負荷状態から荷重が発生した過程による状態か、既にある程度の荷重が発生した後に減圧してきた状態かを分離する。前者である場合、つまり無負荷状態から荷重が発生した過程による状態である場合（ステップＳ２２：ｎｏ）、ステップＳ１９に移行する。このステップＳ１９で増圧時には、制御切替機能部２４は、荷重制御を継続し（ステップＳ２０）、ステップＳ１９で減圧時には、制御切替機能部２４は、位置制御を実行する（ステップＳ２１）。

このとき、さらにステップＳ１９〜Ｓ２１において、直動機構６の荷重が減圧に転じて位置制御に切替えられた際の推定荷重を記憶手段３０に記憶し、制御切替機能部２４は、位置制御機能部２３に切替えられた状態で直動機構６の荷重を増圧するとき、記憶手段３０に記憶された切替時の推定荷重に到達するまで位置制御機能部２３による位置制御を継続する処理を行ってもよい。さらに制御切替機能部２４は、荷重が前記推定荷重に到達後、位置制御から荷重制御に切替えてもよい。なおステップＳ２１にて位置制御を実行するのは一時的なものであるため、前記ステップＳ１１以降のフローとの区別のため位置制御に移行はしない処理とする。

ステップＳ２２で、既にある程度の荷重が発生した後に減圧してきた状態である場合（ステップＳ２２：ｙｅｓ）、制御切替機能部２４は、荷重制御から位置制御に移行させ（ステップＳ１０）、位置制御機能部２３による位置制御を実行する（ステップＳ１７）。その後、本処理を終了する。
本実施形態のフローは一例を示すものであり、必要に応じて実行順の入替、または一部のフローの省略等は適宜行えるものとする。

＜作用効果＞
以上説明した電動式直動アクチュエータＤＡによれば、荷重が負荷されない無負荷状態から増圧する場合は、荷重が零の状態から推定荷重がどれだけ変化したかを観測すればよいため、第一の閾値として、比較的小さな閾値を用いても誤判定なく位置制御から荷重制御への切替が行えることが期待できる。
一方、荷重が印加された状態から減圧する場合、電動式直動アクチュエータ内の摩擦に起因するゼロ点のオフセット等の影響を考慮し、誤判定を防止するために、第二の閾値として、比較的大きな閾値とする。

よって、位置制御から荷重制御に切替える第一の判定条件と、荷重制御から位置制御に切替える第二の判定条件とを、異なる条件とすることで、制御切替の誤判定を防止しつつ荷重制御精度を向上することができる。したがって、高精度の荷重センサを用いることなく位置制御と荷重制御を適切に切替えて、安定した制御を行うことができる。

比較的大きな荷重が印加されることにより、電動式直動アクチュエータ内の微小な摩擦等の影響で、例えば、軸方向荷重を推定するための荷重センサＳｂのセンサ出力のゼロ点のオフセットが生じやすい場合がある。このため、記憶された推定荷重における最大荷重が大きくなる程、第二閾値を大きくすることで、前記オフセットに起因する制御切替の誤判定を防止することができる。

微小な荷重に対して、増圧側は荷重センサＳｂのセンサ出力が単調増加する場合でも、減圧側は摩擦等の影響でヒステリシスを有して荷重センサＳｂのセンサ出力が単調減少とならない場合がある。このため、荷重制御機能部２２の実行状態で直動機構６の荷重を減圧するとき、推定荷重を用いずに位置制御機能部２３による位置制御を行うことで、電動式直動アクチュエータＤＡの誤動作を防止することができる。

荷重を減圧するときに位置制御機能部２３に切替えられた状態で、且つ微小な荷重領域において、再び荷重を増圧に転じても、前記ヒステリシスに起因して荷重を推定するための荷重センサＳｂのセンサ出力に誤差が生じる場合がある。そこで、荷重制御機能部２２から位置制御機能部２３に切替えるときの推定荷重を記憶しておき、記憶された推定荷重に到達するまで位置制御機能部２３による制御を継続することで、電動式直動アクチュエータＤＡの誤動作を防止することができる。

空隙が大きいとき程、荷重が発生する可能性が低く、且つ誤判定して制御切替をしてしまった際のアクチュエータの動作異常の影響が大きくなる。このため、制御切替機能部２４は、推定される前記空隙（推定空隙）が大きい程、第一の閾値を大きく設定することで、制御切替の誤判定を防止することができる。このように推定空隙に応じて、第一の閾値を変更することで、制御切替の誤判定に対するリスクを軽減することができる。

＜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６は、荷重を直接制御する荷重制御機能部２２と、直動部１４（図１）の軸方向位置であるモータ角度を制御する位置制御機能部２３とを個別に設けて切替える例を示す。荷重制御機能部２２の実行中の構成例である図６に対し、図７は位置制御機能部２３を実行する構成例を示す。図６、図７では推定荷重を直接制御に用いるため、モデル誤差に対して比較的ロバストな制御系とし易い点で優位となる。図３、図４、図６、図７のいずれかの構成の採用は制御用件に応じて適宜定められるものであり、あるいは必要に応じて併用する構成としてもよい。

制御装置２は、電動モータ４の角加速度を推定する機能を有し、制御切替機能部２４は、推定された前記角加速度が定められた角加速度より大きいとき、第一の閾値を基準となる値よりも大きくしてもよい。制御装置２は、角度センサＳａから求められる角速度を微分する等して前記角加速度を推定し得る。

電動モータの角加速度が大きい動作をさせた場合、直動機構の慣性等の影響により、実際に荷重が発生していない場合においても、荷重を推定するための荷重センサが反応する場合がある。そのため、この構成によると、推定された角加速度が定められた角加速度より大きいとき、第一の閾値を基準となる値よりも大きくすることで、荷重が印加されたと誤判定することを防止することができる。

直動機構６の変換機構部として、遊星ローラ、ボールねじ等の各種ねじ機構、ボールランプ等の傾斜を利用した機構等を用いることができる。

以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…電動ブレーキ装置
２…制御装置
４…電動モータ
６…直動機構
８…ブレーキロータ
９…摩擦材
１４…直動部
２０…荷重推定機構部
２１…位置推定機構部
２２…荷重制御機能部
２３…位置制御機能部
２４…制御切替機能部
３０…記憶手段
ＢＲ…電動ブレーキ装置
ＤＡ…電動式直動アクチュエータ

Claims (10)

1. 電動モータと、この電動モータの回転運動を直動部の直進運動に変換する直動機構と、前記電動モータを制御する制御装置とを備えた電動式直動アクチュエータにおいて、
   前記制御装置は、
   前記直動機構の軸方向荷重を推定する荷重推定機能部と、
   前記直動機構における前記直動部の軸方向位置を推定する位置推定機能部と、
   前記荷重推定機能部の推定結果である推定荷重に基づいて、前記直動機構の荷重を制御する荷重制御機能部と、
   前記位置推定機能部の推定結果である推定位置に基づいて、前記直動機構の前記直動部の軸方向位置を制御する位置制御機能部と、
   前記荷重制御機能部および前記位置制御機能部のいずれか一方に切替える制御切替機能部と、を備え、
   前記制御切替機能部は、
   前記位置制御機能部に切替えられている状態であり、且つ、前記直動機構の荷重が負荷されない無負荷状態から前記直動機構の荷重を発揮させるときであり、且つ、前記推定荷重が第一の閾値を上回ると言う第一の判定条件を充足する場合に、前記位置制御機能部から前記荷重制御機能部に切替え、
   前記荷重制御機能部に切替えられている状態であり、且つ、前記直動機構の荷重を減少させるかまたは零とするときであり、且つ、前記荷重が、前記第一の閾値よりも大きな第二の閾値を下回ると言う第二の判定条件を充足する場合に、前記荷重制御機能部から前記位置制御機能部に切替える電動式直動アクチュエータ。
2. 請求項１に記載の電動式直動アクチュエータにおいて、前回に荷重を零とした状態から前記荷重制御機能部の実行状態にて推定された推定荷重の履歴を記憶する記憶手段を備え、前記制御切替機能部は、前記記憶手段に記憶された推定荷重における最大荷重が大きくなる程、前記第一の閾値に対して前記第二の閾値が大きな値となる電動式直動アクチュエータ。
3. 請求項１または請求項２に記載の電動式直動アクチュエータにおいて、前記制御切替機能部は、前記荷重制御機能部の実行状態で前記直動機構の荷重を増圧するとき、前記荷重制御機能部の実行状態を継続し、前記荷重制御機能部の実行状態で前記直動機構の荷重を減圧するとき、前記位置制御機能部による位置制御を実行させる電動式直動アクチュエータ。
4. 請求項３に記載の電動式直動アクチュエータにおいて、前記荷重制御機能部から前記位置制御機能部に切替えるときの推定荷重を記憶する記憶手段を備え、前記制御切替機能部は、前記位置制御機能部に切替えられた状態で前記直動機構の荷重を増圧するとき、前記記憶手段に記憶された推定荷重に到達するまで前記位置制御機能部による制御を継続し、前記推定荷重に到達後、前記位置制御機能部から前記荷重制御機能部に切替える電動式直動アクチュエータ。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の電動式直動アクチュエータにおいて、前記位置推定機能部は、前記推定荷重および前記推定位置に基づいて、前記直動機構が荷重を印加可能な状態になるまでの空隙を推定する機能を有し、前記制御切替機能部は、推定される前記空隙が大きくなる程、前記第一の閾値を大きく設定する電動式直動アクチュエータ。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の電動式直動アクチュエータにおいて、前記位置推定機能部は、前記推定荷重および前記推定位置に基づいて、前記直動機構が荷重を印加可能な状態になるまでの空隙を推定する機能を有し、前記荷重推定機能部は、推定される前記空隙が定められた空隙より大きい状態における推定荷重を、荷重が零に相当する基準として荷重を推定する電動式直動アクチュエータ。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の電動式直動アクチュエータにおいて、前記位置推定機能部は、前記推定荷重および前記推定位置に基づいて、前記直動機構が荷重を印加可能な状態になるまでの空隙を推定する機能を有し、前記位置制御機能部が、荷重を印加する要求がある状態で実行されるとき、前記位置制御機能部は、前記電動式直動アクチュエータの剛性を含む情報から定められた荷重となり得る目標位置を導出し、この目標位置に対して前記推定位置を追従させる追従制御を実行する機能を有し、
   前記制御切替機能部は、前記無負荷状態における前記位置制御機能部の実行状態から荷重を印加させるとき、前記第一の判定条件を充足しない状態で前記空隙が設定値より小さいかまたは零と判断されるか、または、前記位置制御機能部にて前記目標位置と前記推定位置との偏差に基づき位置制御が達成されたと判断されたとき、前記第一の判定条件を充足するまで前記直動機構の前記直動部を荷重印加方向に移動させる近接制御機能を有する電動式直動アクチュエータ。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の電動式直動アクチュエータにおいて、前記制御装置は、前記電動モータの角加速度を推定する機能を有し、前記制御切替機能部は、推定された前記角加速度が定められた角加速度より大きいとき、第一の閾値を基準となる値よりも大きくする電動式直動アクチュエータ。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の電動式直動アクチュエータにおいて、前記荷重制御機能部は、前記推定荷重および前記電動式直動アクチュエータの剛性に基づき算出する前記直動部の計算位置と、前記推定位置との偏差を用いて目標値およびフィードバック値のいずれか一方または両方を補正する位置制御であり、前記制御切替機能部は、前記位置制御における補正量を零とする前記位置制御機能部か、前記補正量を零としない前記荷重制御機能部に切替える電動式直動アクチュエータ。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の電動式直動アクチュエータと、この電動式直動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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