JP4587051B2 - 車両用操舵装置 - Google Patents

Description

この発明は、自動操舵のための制御が可能な車両用操舵装置に関する。

車両に備えられた操舵アクチュエータを利用して車両の自動操舵を行う技術が提案されている。たとえば、車両に搭載されたパワーステアリング装置は、舵取り機構に操舵力（操舵補助力）を付与する操舵アクチュエータとして、電動モータや油圧アクチュエータを備えている。これらの操舵アクチュエータの出力を制御することによって、運転者のステアリング操作に依ることなく、車両の舵取り車輪を転舵させることができる。

より具体的には、自動駐車制御では、車両の現在位置から駐車位置までの目標移動経路が演算され、この目標移動経路に従って車両が後退するように、車両の移動距離に対する目標転舵角の関係が求められる。そして、車両の移動距離に応じた目標転舵角を達成するように操舵アクチュエータが制御される。この際、運転者は、ブレーキおよびアクセル操作によって車速の調節および停止位置の制御を行えばよく、ステアリング操作を行う必要はない。

無論、車両の目標移動経路に人その他の移動物のような障害物が事後的に入り込んできたような場合には、運転者は、ブレーキ操作だけでなく、ステアリングホイールに操作トルクを加えて、自動駐車制御に介入することができる。この場合、ステアリングホイールに加えられた操作トルクが所定のトルク閾値を超えたことが検出されると、自動駐車制御が解除される（特許文献１）。

また、自動駐車制御中に運転者がステアリングホイールを操作したり、ブレーキペダルから足を離すことにより、自動駐車制御が解除される技術も提案されている。すなわち、自動駐車制御中に、運転者の操作介入があると、直ちに自動駐車制御が解除される（特許文献２）。
一方、自動駐車制御中における運転者の介入操作を許容し、運転者の操作が車両を障害物に接触させるおそれのある操作の場合等には、その操作が困難なように制御する提案もある（特許文献３）。
特開２００４−２８４５３０号公報（００１７段落） 特開平１０−１１４２７２号公報 特開２００６−２１７２２号公報

従来の自動駐車制御は、一般に、運転者はステアリング操作を行う必要はなく、車両の舵取り車輪の転舵は、操舵アクチュエータによって自動的に達成される。このため、自動駐車制御中は、運転者はステアリングホイールに手を添えておらず、運転者に対するステアリングホイールの操作フィーリングは特に考慮する必要はない。
にもかかわらず、従来、自動駐車制御中においても、操舵アクチュエータに対する駆動制御は、手動操舵時と同様の駆動制御が採用されており、制御の高効率化および制御の省エネ化という点において、改善の余地が十分に残されていた。

この発明は、このような背景のもとになされたもので、自動操舵制御中における操舵アクチュエータの駆動制御を、高効率かつ省エネを実現できるようにした車両用操舵装置を提供することを主たる目的とする。
この発明の他の目的は、手動操舵時と、自動操舵制御時とで、操舵アクチュエータとしての電動モータの駆動制御の仕方を切り換え、自動操舵制御時における電動モータを高効率かつ省エネで動作させるようにした車両用操舵装置を提供することを他の目的とする。

上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、車両の舵取り機構（１）に操舵力を付与する操舵アクチュエータ（Ｍ）と、前記操舵アクチュエータ（Ｍ）を制御することによって自動操舵制御を行う自動操舵制御手段（２２）とを備える車両用操舵装置において、操舵アクチュエータ（Ｍ）は、少なくとも３相の巻線を有する電動モータ（Ｍ）を含み、前記自動操舵制御手段（２２）は、電気角に応じてある相のＰＷＭデューティーを１００％にし、その上限電圧を基準とした相間電圧を印加し、相電流を制御することにより、前記操舵アクチュエータ（Ｍ）の駆動制御を手動操舵時とは異なる駆動制御によって実行することを特徴とする車両用操舵装置である。なお、括弧内の英数字は後述の実施形態における対応構成要素等を表わす。以下、この項において同じ。

かかる構成によれば、操舵アクチュエータ（Ｍ）としての電動モータにＰＷＭデューティー１００％が印加されている相において、電動モータの印加電圧を切り換えるためのスイッチングロスがなく、電動モータを高効率に制御することが可能である。その結果、自動操舵時においては、電動モータの高効率でかつ省エネ制御を実現することができる。

請求項２記載の発明は、前記自動操舵制御を設定するために、手動操作される設定スイッチ（１３）を有し、前記設定スイッチ（１３）によって前記自動操舵制御が設定されたことにより、前記自動操舵制御手段（２２）による制御を実行させることを特徴とする、請求項１記載の車両用操舵装置である。
この構成によれば、運転者が手動操作により設定スイッチ（１３）を操作することにより、その後は自動操舵制御に入るから、運転者はステアリングホイールを握ることがない。従って、ステアリングホイールの操作フィーリングを考慮することなく、操舵アクチュエータ（Ｍ）を上述のように高効率かつ省エネを実現できるように駆動させることができる。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の車両用操舵装置の一実施形態である電動パワーステアリング装置の構成を説明するための概念図である。この電動パワーステアリング装置は、車両の舵取り車輪Ｗ（たとえば前左右輪）を転舵させるための舵取り機構１に対して、操舵アクチュエータとしての電動モータＭが発生するトルクを伝達するように構成されている。舵取り機構１は、車両の左右方向に沿うラック軸２と、このラック軸２のラックに噛合するピニオン３とを備えたラック・ピニオン型のものである。ピニオン３には、ステアリングシャフト４の一端が結合されており、このステアリングシャフト４の他端には、ステアリングホイール５が結合されている。従って、ステアリングホイール５を回動操作することによって、この回動がステアリングシャフト４およびピニオン３を介してラック軸２に伝達され、このラック軸２の軸方向変位に変換される。

ラック軸２の両端には、一対のタイロッド６の各一端がそれぞれ結合されている。この一対のタイロッド６の各他端は、一対のナックルアーム７の各一端に結合されている。この一対のナックルアーム７は、一対のキングピン８回りに回動自在にそれぞれ支持されていて、一対の舵取り車輪Ｗにそれぞれ結合されている。この構成により、ラック軸２が軸方向に変位すると、ナックルアーム７がキングピン８回りに回動し、これにより、舵取り車輪Ｗが転舵される。

舵取り機構１に対して適切な操舵力を付与するために、電動モータＭを制御するためのコントローラ（ＥＣＵ：電子制御ユニット）１０が設けられている。このコントローラ１０には、ステアリングホイール５に加えられる操作トルクを検出するトルクセンサ１１の出力信号と、ステアリングシャフト４の回転角を検出することによってステアリングホイール５の操作角を検出する操作角センサ１７の出力信号と、当該電動パワーステアリング装置が搭載された車両の車速を検出する車速センサ１２の出力信号とが入力されるようになっている。また、コントローラ１０には、さらに、自動駐車モードの設定およびその解除を行うための自動駐車モードスイッチ１３の出力が与えられており、車両後方を撮像するカメラ１４からの映像信号が入力されるようになっている。さらに、コントローラ１０には、車両の運転席近傍に配置された表示装置１５（たとえば液晶表示装置その他の画像表示装置）が接続されており、表示装置１５の表示画面に設けられたタッチパネル１６の出力信号が入力されるようになっている。

コントローラ１０は、自動駐車モードスイッチ１３の操作によって自動駐車モードが指示されると、車両の自動駐車のために操舵制御（自動駐車制御）を行う自動駐車モードに従って電動モータＭを制御する。また、自動駐車モードスイッチ１３の操作によって自動駐車モードの解除が指示されると、自動駐車制御を解除して、アシストモードに従って電動モータＭを制御する。アシストモードとは、トルクセンサ１１によって検出される操作トルクと、車速センサ１２によって検出される車速とに基づいて、運転者による操舵を補助するための操舵補助力を電動モータＭから発生させる制御モードである。

図２は、コントローラ１０の電気的構成を説明するためのブロック図である。コントローラ１０は、マイクロコンピュータ２０と、車載バッテリー３１からの電力を電動モータＭに供給するための駆動回路３０とを含む。
マイクロコンピュータ２０は、ＣＰＵ（中央処理装置）およびメモリ（ＲＯＭ，ＲＡＭなど）を含み、所定のプログラムを実行することによって、複数の機能処理手段としての働きを有する。この複数の機能処理手段には、前記アシストモードに従って電動モータＭを制御するアシスト制御部２１と、前記自動駐車モードに従って電動モータＭを制御する自動駐車制御部２２と、自動駐車モードとアシストモードとを切り換えるモード切り換え部２３と、所定の条件が成立したときに自動駐車制御部２２による自動駐車制御を解除し、自動駐車モードからアシストモードへと移行させるための自動駐車解除制御部２４と、操作角センサ１７が出力する操作角の時間微分値である操作角速度を演算する操作角速度演算部２５とを含む。

モード切り換え部２３は、アシスト制御部２１および自動駐車制御部２２のいずれか一方による制御を選択して有効化する。これにより、自動駐車モードとアシストモードとが切り換えられる。このモード切り換え部２３は、自動駐車モードスイッチ１３による設定に従って制御モードを切り換える他、自動駐車モード時には、自動駐車解除制御部２４からの指示に応じて、自動駐車モードからアシストモードへと制御モードを切り換える。

自動駐車解除制御部２４は、トルクセンサ１１が検出する操作トルクと、操作角速度演算部２５によって演算される操作角速度とに基づいて、自動駐車モードを解除すべきか否かを判定し、自動駐車モードを解除すべきときに、そのことを表わす自動駐車解除指示をモード切り換え部２３に与える。
自動駐車解除制御部２４は、また、自動駐車モード時に、自動駐車制御による操舵速度を制御するための操舵速度制御部２９を有している。この操舵速度制御部２９は、操作角速度および操作トルクに基づいて、自動駐車制御部２２による自動駐車制御に介入すべきかどうかを判定し、必要時に自動駐車制御に介入すべく、自動駐車制御部２２に指令を与える。

アシスト制御部２１は、トルクセンサ１１によって検出される操作トルクおよび車速センサ１２によって検出される車速に対応したモータ目標電流値を定める。より具体的には、アシスト制御部２１は、操作トルクおよび車速に対するモータ目標電流値を定めたアシスト特性に従って、モータ目標電流値を設定し、このモータ目標電流値が達成されるように、駆動回路３０を介して電動モータＭを駆動制御する。アシスト特性は、たとえばマップ（テーブル）の形式でマイクロコンピュータ２０内のメモリに予め格納されている。このアシスト特性は、たとえば、操作トルクの絶対値が大きいほどモータ目標電流値を大きく設定し、車速が大きいほどモータ目標電流値を小さくできるように定められている。

自動駐車制御部２２は、車両の現在値から目標駐車位置までの目標移動経路を演算する目標移動経路演算部２６と、この目標移動経路演算部２６によって演算された目標移動経路に従って操舵角を制御する操舵角制御部２７と、車速センサ１２の出力信号に基づいて移動距離を演算する移動距離演算部２８とを含む。
目標移動経路演算部２６は、カメラ１４が撮像する映像と、タッチパネル１６からの入力とに基づいて目標移動経路を演算する。例えば、運転者が自動駐車モードスイッチ１３を操作して自動駐車モードを指定すると、カメラ１４が出力する映像が表示装置１５に表示される。運転者は、表示装置１５に表示された映像を参照して、タッチパネル１６から所望駐車位置を指定する。こうして駐車位置が指定されると、目標移動経路演算部２６は、自車位置と指定された駐車位置との位置関係を演算し、さらに、カメラ１４が撮像した映像から認識される障害物を回避する経路を目標移動経路として求める。この移動経路は、表示装置１５に表示されてもよい。

目標移動経路演算部２６は、目標移動経路の情報を、現在の車両位置からの車両の移動距離と、この移動距離に対応する操舵角との関係を示すテーブルデータである操舵制御テーブルデータの形式でメモリに格納する。操舵角制御部２７は、その操舵制御テーブルデータを参照して、電動モータＭを制御する。すなわち、操舵角制御部２７は、移動距離演算部２８から入力される車両の移動距離に基づき、当該移動距離に対応する操舵角データを操舵制御テーブルデータから取得する。この操舵角データが達成されるように、操舵角制御部２７は、駆動回路３０を介して電動モータＭを制御する。

この実施形態では、操舵角制御部２７が、駆動回路３０を介して電動モータＭを制御する際に、電動モータＭを矩形波駆動し、かつ、モータ印加電圧（相間電圧）は中性点電圧を増減させることで制御するという特定の駆動制御が行われる。
図３は、図２に示したマイクロコンピュータ２０において、アシスト制御部２１による制御を行うか、自動駐車制御部２２による制御を行うかの制御の切り換えを表わすフロー図である。

マイクロコンピュータ２０の動作がスタートすると、マイクロコンピュータ２０は、まず、制御モードを判別する（ステップＳ１）。制御モードの判別は、自動駐車モードスイッチ１３（図２参照）が操作されたか否かにより行い、自動駐車モードスイッチ１３が操作されていなければ、アシストモードである旨判別し（ステップＳ２）、アシスト制御部２１によって、駆動回路３０を介して電動モータＭの動作が制御される（ステップＳ３）。

一方、自動駐車モードスイッチ１３が操作されている場合には、自動駐車モードを判別し（ステップＳ４）、自動駐車制御部２２により、駆動回路３０を介して電動モータＭが駆動される。そして、自動駐車モード中には、自動駐車モードが解除されたか否かの判別を行い（ステップＳ６）、自動駐車モードが解除された場合には、自動駐車モードからアシストモードへと制御モードを切り換える。

図４は、３相巻線（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を有する電動モータＭおよびその駆動回路３０に含まれるインバータを表わす図（Ａ）および電動モータＭの１つの巻線に与えられる電圧（相電圧）とロータの位置関係を示す波形図（Ｂ）である。
図４を参照して、電動モータＭの電流が零の場合、インバータの各ＦＥＴのゲート電圧は、ＰＷＭデューティー比を５０％とした場合、中性点電圧（＋Ｂ／２［Ｖ］）であり、モータ電流を流す時はこの中性点電圧を基準とし、相電圧を印加する。

すなわち、アシストモード時には、アシスト制御部２１によって、電動モータＭの相電圧の増減は、振幅の増減により制御される。このため、インバータの各ＦＥＴのゲートに与える電圧は、ＰＷＭによるスイッチングロスが全ての領域で発生することになる。
より具体的には、モータ巻線のＵ相、Ｖ相およびＷ相に与えられる電圧は、図４（Ａ）に示すインバータ上側（入力側）の各ＦＥＴのゲート電圧がＰＷＭ制御されることによって、図５（１）〜（３）のような正弦波波形で与えられ、それにより、たとえばＵ−Ｖ相の相間電圧は、図５（４）に示す波形となる。

アシスト制御部２１により、上述のような制御が行われることにより、アシストモードにおいて、運転者はステアリングホイールの操作に違和感がなく、操作性の良いステアリング操作を行える。
一方、自動駐車モードにおいては、上述したように、運転者は原則としてステアリングホイール５から手を離しており、ステアリングホイール５の操作フィーリングは特に問題とならない。

そこで、この実施形態では、自動駐車モードにおいて、自動駐車制御部２２は、駆動回路３０を介して電動モータＭに図６に示すような電圧を印加する。
すなわち、電動モータＭを、矩形波駆動し、かつ、モータ印加電圧（相間電圧）は電気角に応じてある相のＰＷＭデューティーを１００％にし、その上限電圧を基準とした相間電圧を印加し、相電流を制御する。こうすると、図４（Ａ）に示す電動モータＭに通電を行うインバータのある相の上側ＦＥＴは常時オン状態であり、上側ＦＥＴのゲート電圧を切り換えることによるスイッチングロスが生じない。

より具体的には、車載バッテリー３１（図２参照）から駆動回路３０に含まれるインバータの上側ＦＥＴを通り、電動モータＭの各相へ電流が流れ、各相を流れた電流はインバータの下側ＦＥＴを通ってアース電位へと流れる。この場合において、上側ＦＥＴは、電動モータＭを矩形波駆動するために常時オンさせておけばよいので、スイッチングロスが生じない。

モータ印加電圧（相間電圧）の増減は、図６（Ａ）に示す電圧指示値が低いときと、図６（Ｂ）に示す電圧指示値が高いときとを比べると理解できるように、上限電圧を基準として印加することにより行う。
より具体的には、図７（Ａ）（Ｂ）に示すように、たとえばＵ相電圧が１２Ｖの区間では、Ｕ相に電圧を印加する上側ＦＥＴは常時オンとなる。一方、その他の相は、所定の相電圧になるように各ＦＥＴをＰＷＭデューティーで制御する。このため、相電圧が１２Ｖのときは、対応するＦＥＴは常時オンであり、その相のスイッチングロスは生じない。

そして、印加電圧１２Ｖ（車載バッテリー３１の電圧）を基準として、印加電圧を制御するため、中性点電圧が増減され、相間電圧を増減させることができる。
自動駐車モードにおいて、上述の制御を行う結果、電圧１２Ｖを印加する間は、上側ＦＥＴは常時オンであり、その相に対するＦＥＴのスイッチングロスは生じない。つまり、＋電圧印加時において、ＦＥＴのスイッチングロスがないため電動モータＭを高効率に駆動制御することができる。

図８は、自動駐車制御部２２による別の操舵補助制御を表わすグラフである。図８において、縦軸は操舵角を表わし、横軸は車両の移動距離を表わしている。
自動駐車制御部２２では、図８に太実線で示すように、車両の現在位置から目標駐車位置までの操舵角と距離の関係を設定値として設定する。そして、自動駐車モード時には、駆動回路３０を介して電動モータＭを動作させ、図８に設定された設定値に沿うように、移動距離に応じた操舵角が得られるように制御する。この制御中において、運転者がステアリングホイール５を操作し、設定した操舵角とは異なる操舵角に操作した場合、設定操舵角と実際の操舵角（細実線で示す実測値）との差を求め、設定操舵角と実操舵角との差を定数倍したガイダンストルクを発生させて、運転者の操作に干渉させる。それにより、運転者の操作が、設定した操舵角軌跡に沿うような操舵角になるように促す。より具体的には、設定操舵角に近づける方向は操舵トルクが軽くなり、離れる方向は操舵トルクが重くなるように、ガイダンストルクを発生させる。ガイダンストルクの発生は、もちろん、駆動回路３０を介して電動モータＭを動作させることにより行う。

この結果、運転者は、自動駐車モードにおいて、図８に示す太実線の操舵角の状態が中立であるような操舵感で、ステアリングホイール５を操作することが可能になる。つまり、自動駐車制御部２２によって車両は予め設定された走行経路を移動するように操舵角が自動制御されるが、その自動制御される操舵角がステアリングホイールの中立点であり、その中立点を中心にステアリングホイール５を必要に応じて操作するような操舵感とすることができる。

なお、移動距離に応じた設定経路に沿うような舵角パターンの設定舵角値と、実舵角値との差に応じた上述の定数は、一定であってもよいし、舵角差の値により可変可能であってもよい。
このような実施形態をさらに応用した例としては、自動駐車モードにおける自動駐車制御開始時に、設定経路と車両走行経路とがある閾値以上離れた場合に、目標駐車位置に向けて設定経路の再演算および再設定を行い、自動駐車モードを中断することなく自動駐車モードが継続されるようにすることができる。この場合において、上記閾値を超えた場合には、警告音や警告表示等により、運転者に操舵角が設定値から外れていることを知らせるようにしてもよい。

また、自動駐車モードになった場合に、カメラ１４、測距センサ等から、側方駐車車両と自車両の関係を得て、運転者がステアリングホイール５を操舵すると接触が起きるか否かの判定を常時行い、接触が起きそうな場合には、ステアリングホイール５に振動を生じさせる、警告音を発する、警告表示を行う等により、運転者に接触回避を知らせるようにしてもよい。

前述の実施形態では、電動パワーステアリング装置にこの発明が適用された例について説明したが、この発明は、車両の舵取り機構に操舵力を付与する操舵アクチュエータが備えられた車両用操舵装置に対して広く適用することができる。このような車両用操舵装置には、いわゆるステア・バイ・ワイヤシステム、油圧式のパワーステアリング装置等が含まれる。ステア・バイ・ワイヤシステムとは、ステアリングホイール等の操作部材と舵取り機構との機械的な結合をなくし、操作部材の操作量をセンサによって検出するとともに、そのセンサの出力に応じて制御される操舵アクチュエータの駆動力を舵取り機構に伝達するようにしたシステムである。ステア・バイ・ワイヤシステムでは、自動操舵制御中には必ずしも操作部材を舵取り機構に連動させる必要はないが、自動操舵制御が解除されたときに操作部材の位置（たとえばステアリングホイールの操作角）と舵取り機構の位置（操舵角）との対応をとるためには、自動操舵制御中であっても、操作部材を舵取り機構に連動させるように作動させることが好ましい。

また、この実施形態では、自動操舵制御の例として自動駐車制御を例に挙げたが、この発明は、たとえば、車両を走行車線に沿って自動走行させるための自動操舵制御のような他の種類の自動操舵制御にも適用可能である。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

この発明の車両用操舵装置の一実施形態である電動パワーステアリング装置の構成を説明するための概念図である。 前記車両用操舵装置に備えられたコントローラの電気的構成を説明するためのブロック図である。 前記コントローラのマイクロコンピュータ２０において、アシスト制御部２１による制御を行うか、自動駐車制御部２２による制御を行うかの制御の切り換えを表わすフロー図である。 アシストモード時における、電動モータＭの通電制御を説明するために描いた図解図で、（Ａ）は電動モータＭおよびその駆動回路３０に含まれるインバータを表わす図、（Ｂ）は１つの巻線に与えられる相電圧とロータの位置関係を示す波形図である。 ＰＷＭ制御により電動モータＭの各相に与えられる電圧波形の一例を表わすグラフである。 自動駐車モードにおいて、自動駐車制御部２２により行われる電動モータＭに対する電圧の印加の仕方を説明するための図であり、（Ａ）は電圧指示値が低いときの相電圧とロータ位置との関係、（Ｂ）は電圧指示値が高いときの相電圧とロータ位置との関係を示すグラフである。 自動駐車モードにおいて、自動駐車制御部２２により行われる電動モータＭに対する電圧の印加を説明するためのグラフであり、（Ａ）は電圧指示値が高い場合、（Ｂ）は電圧指示値が低い場合の、それぞれ、相電圧とロータ位置との関係を示すグラフである。 自動駐車制御部２２による他の操舵補助制御を説明するためのグラフである。

符号の説明

１…舵取り機構、５…ステアリングホイール、２０…マイクロコンピュータ、２１…アシスト制御部、２２…自動駐車制御部、３０…駆動回路、Ｍ…電動モータ

Claims (2)

1. 車両の舵取り機構に操舵力を付与する操舵アクチュエータと、
   前記操舵アクチュエータを制御することによって自動操舵制御を行う自動操舵制御手段とを備える車両用操舵装置において、
   前記操舵アクチュエータは、少なくとも３相の巻線を有する電動モータを含み、
   前記自動操舵制御手段は、電気角に応じてある相のＰＷＭデューティーを１００％にし、その上限電圧を基準とした相間電圧を印加し、相電流を制御することにより、前記操舵アクチュエータの駆動制御を手動操舵時とは異なる駆動制御によって実行することを特徴とする、車両用操舵装置。
2. 前記自動操舵制御を設定するために、手動操作される設定スイッチを有し、
   前記設定スイッチによって前記自動操舵制御が設定されたことにより、前記自動操舵制御手段による制御を実行させることを特徴とする、請求項１記載の車両用操舵装置。

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