JP6764561B2 - 車両用操舵装置 - Google Patents

Description

この発明は、操向のために操作される操舵部材と転舵機構とが機械的に結合されていない状態で、転舵モータによって転舵機構が駆動される車両用操舵装置に関する。

車両用操舵装置として、操舵部材と転舵機構とが機械的に連結されていない、いわゆるステアバイワイヤ（ＳＢＷ：Steer-By-Wire）式の車両用操舵装置が知られている。例えば、下記特許文献１には、操舵部材としてのステアリングホイールと転舵機構とをクラッチを介して機械的に連結することが可能なステアバイワイヤ式の車両用操舵装置が開示されている。このクラッチは、通常時には、解放状態となっており、ステアバイワイヤモード（ＳＢＷモード）で転舵制御が行われる。ステアバイワイヤモードで転舵制御が行われているときに、何らかの異常が発生した場合には、クラッチが締結され、パワーステアリング（ＥＰＳ：Electric Power Steering）モードで転舵制御が行われる。そして、ステアバイワイヤモードで転舵制御が行われているときに、ラック軸が移動端に達したときには、クラッチが締結される。このため、運転者がステアリングホイールを切り増し方向にそれ以上回転させようとしても、ラック軸がストッパーに当接するので、ステアリングホイールの回転が抑制される。この後、ラック軸が移動端から離れると、クラッチが解放される。

特開２００１−１７１５４３号公報

前述の特許文献１記載の車両用操舵装置では、ラック軸が移動端に達する度にクラッチが締結されるので、クラッチの締結頻度が高くなる。このため、クラッチの作動音の発生頻度が高くなるとともに、クラッチの耐久性が低下するという問題がある。
これに対して、ラック軸が移動端に達したときに、クラッチを締結せず、反力モータがステアリングホイールに付与する反力トルクを利用してステアリングホイールのそれ以上の回転を止める方法が知られている。

この方法だと、クラッチを締結しないため、クラッチの作動音は発生しなくなり、クラッチの耐久性が低下するという問題も解決される。しかし、例えば、運転者が体重をかけながらステアリングホイールを操舵した場合には、通常の操舵よりも過大な操舵トルクがステアリングホイールに印加される可能性がある。このとき、反力モータの作用により付与されるステアリングホイールの回転を止めようとするトルクよりも操舵トルクが大きい場合には、ステアリングホイールが回転してしまう。そうすると、転舵輪は回転していないのにステアリングホイールのみ回転してしまい、転舵輪の転舵角とステアリングホイールの操舵角との対応関係にずれが生じる。この状態でステアリングホイールを中立位置に戻すと、転舵輪の直進位置とステアリングホイールの中立位置とが対応しなくなり、ステアリングホイールを中立位置、つまり車両を直進させるべき位置に戻したにもかかわらず、転舵輪は直進位置ではなくなるという問題が生じる可能性がある。

この発明の目的は、操舵部材の回転を抑制するために締結されるクラッチの締結頻度を低減できる車両用操舵装置を提供することである。

請求項１に記載の発明は、車両を操向するための操舵部材（２）と、転舵輪（３）を転舵させるための転舵機構（４）と、前記操舵部材と前記転舵輪との間の動力伝達経路に設けられたクラッチ（６）と、前記動力伝達経路における前記クラッチよりも前記操舵部材側の部分に連結され、前記操舵部材に操舵反力を付与するための反力モータ（１４）と、前記動力伝達経路における前記クラッチよりも前記転舵輪側の部分に連結され、前記転舵輪を転舵させるための転舵モータ（３１）と、前記反力モータを制御するための反力モータ制御部（７０）と、前記クラッチを制御するためのクラッチ制御部（９０）と、前記転舵輪の転舵角（δ）を取得する転舵角取得手段（９０）と、前記操舵部材の操舵角（θｈ）を取得する操舵角取得手段（９０）とを備え、前記クラッチが解放状態において、前記転舵輪の転舵角が転舵角限界値に到達した場合、前記反力モータ制御部は、前記反力モータの回転角が、前記転舵角限界値に対応した操舵角である第１操舵角（θｈｅｎｄ）に一致するように前記反力モータを制御し、前記クラッチ制御部は、前記操舵部材が、前記第１操舵角に対して、操舵中立位置側とは反対方向に第１所定値（α）以上回転したときには、前記クラッチを締結させるように構成されており、前記クラッチ制御部は、前記転舵角取得手段によって取得される転舵角が前記転舵角限界値に達したときに、前記操舵角取得手段によって取得される操舵角の絶対値を、前記第１操舵角（θｈｅｎｄ）として記憶し、前記転舵角取得手段によって取得される転舵角が転舵角限界値に達してから、前記操舵角取得手段によって取得される操舵角の絶対値が、前記第１操舵角未満にならずに、前記第１操舵角に前記第１所定値（α）を加算した値以上となったときに、前記クラッチを締結させる、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すが、むろん、この発明の範囲は当該実施形態に限定されない。以下、この項において同じ。

この構成では、転舵角の転舵角限界値への到達後に、操舵部材が反力モータによる操作反力に抗して切り増し方向に第１所定値（α）以上回転されたときに、クラッチが締結される。このため、ラック軸が移動端に達する度にクラッチが締結される特許文献１に記載の従来技術に比べて、クラッチの締結頻度が低減する。このため、クラッチの作動音の発生頻度を低減できるとともに、クラッチの耐久性を高めることができる。

請求項２に記載の発明は、前記クラッチ制御部は、前記クラッチが締結された後において、前記転舵角取得手段によって取得される転舵角の絶対値が、前記第１操舵角の絶対値に零以上でかつ前記第１所定値よりも小さい第２所定値（β）を加算した角度以下となったときに、前記クラッチを解放させる、請求項１に記載の車両用操舵装置である。

図１は、この発明の一実施形態に係る車両用操舵装置の構成を説明するための図解図である。 図２は、ＥＣＵの電気的構成を示すブロック図である。 図３は、転舵モータの構成を説明するための図解図である。 図４は、転舵モータ制御部の構成例を示すブロック図である。 図５は、反力モータ制御部の構成例を示すブロック図である。 図６は、クラッチ制御部による転舵角および操舵角に基づくクラッチ制御を説明するためのフローチャートである。

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、本発明の一実施形態に係る車両用操舵装置の概略構成を示す模式図である。
車両用操舵装置１は、車両を操向するための操舵部材としてのステアリングホイール２と、転舵輪３を転舵するための転舵機構４と、ステアリングホイール２に連結されたステアリングシャフト５と、ステアリングシャフト５（ステアリングホイール２）と転舵機構４とを機械的に連結したり分離したりするためのクラッチ６とを含む。この実施形態では、クラッチ６は、電磁クラッチである。クラッチ６は、入力軸６Ａと出力軸６Ｂとを含み、入出力軸間のトルクの伝達・遮断を行う機能を有している。

ステアリングシャフト５は、ステアリングホイール２に連結された第１軸７と、クラッチ６の入力軸６Ａに一体的に連結された第２軸９と、第１軸７と第２軸９とを連結するトーションバー８とを含む。
第２軸９には、減速機１３を介して反力モータ１４が連結されている。反力モータ１４は、ステアリングホイール２に操舵反力（操舵方向と反対方向のトルク）を付与するための電動モータである。減速機１３は、反力モータ１４の出力軸に一体的に回転可能に連結されたウォーム軸（図示略）と、このウォーム軸と噛み合い、第２軸９に一体的に回転可能に連結されたウォームホイール（図示略）とを含むウォームギヤ機構からなる。反力モータ１４には、反力モータ１４の回転角を検出するための回転角センサ１５が設けられている。

転舵機構４は、クラッチ６の出力軸６Ｂに一体的に連結された第１ピニオン軸１６と、転舵軸としてのラック軸１７と、ラック軸１７に転舵力を付与するための転舵アクチュエータ３０とを含む。ラック軸１７の各端部には、タイロッド１８およびナックルアーム（図示略）を介して転舵輪３が連結されている。第１ピニオン軸１６の先端には、第１ピニオン１９が連結されている。ラック軸１７は、自動車の左右方向に沿って直線状に延びている。ラック軸１７の軸方向の第１端部には、第１ピニオン１９に噛み合う第１ラック２０が形成されている。

転舵アクチュエータ３０は、転舵モータ３１と、減速機３２と、第２ピニオン軸３３と、第２ピニオン３４と、第２ラック３５とを含む。第２ピニオン軸３３は、ステアリングシャフト５とは、分離して配置されている。減速機３２は、転舵モータ３１の出力軸に一体的に回転可能に連結されたウォーム軸（図示略）と、このウォーム軸と噛み合い、第２ピニオン軸３３に一体的に回転可能に連結されたウォームホイール（図示略）とを含むウォームギヤ機構からなる。

第２ピニオン３４は、第２ピニオン軸３３の先端に連結されている。第２ラック３５は、ラック軸１７の軸方向の第１端部とは反対の第２端部側に設けられている。第２ピニオン３４は、第２ラック３５に噛み合っている。転舵モータ３１には、転舵モータ３１の回転角を検出するための回転角センサ３６が設けられている。ラック軸１７の近傍には、ラック軸１７の軸方向移動量を検出するためのストロークセンサ（以下、「転舵角センサ」という。）３７が配置されている。転舵角センサ３７が検出したラック軸１７の軸方向移動量から、転舵輪３の転舵角δが検出されるようになっている。

回転角センサ１５，３６、転舵角センサ３７および車速センサ３８の検出信号ならびにイグニッションキーの状態検知信号は、ＥＣＵ（電子制御ユニット：Electronic Control Unit）４０に入力される。ＥＣＵ４０は、これらの入力信号に基づいて、クラッチ６、反力モータ１４および転舵モータ３１を制御する。
車両用操舵装置１は、動作モードとして、ステアバイワイヤモード、フェイルセーフモード等を有している。ステアバイワイヤモードは、ステアリングホイール２と転舵機構４とが機械的に連結されていない状態（クラッチ６が解放されている状態）で、転舵輪３の転舵が行われるモードである。フェイルセーフモードは、ステアリングホイール２と転舵機構４とを機械的に連結させた状態（クラッチ６が締結されている状態）で、転舵輪３の転舵が行われるモードであり、ステアバイワイヤモード時に何らかの異常が発生したときに自動的に設定されるモードである。フェイルセーフモードは、手動のみによって転舵を行うマニュアルステアリングモードであってもよく、反力モータ１４および転舵モータ３１の少なくとも一方によって、操舵トルク等に応じた操舵補助力を発生させるパワーステアリングモード（ＥＰＳモード）であってもよい。

後述するように、この実施形態では、ステアバイワイヤモード時に異常が発生してないときでも、ステアリングホイール２の回転を抑制するためにクラッチ６が締結される場合がある。
図２は、ＥＣＵ４０の電気的構成を示すブロック図である。
ＥＣＵ４０は、マイクロコンピュータ４１と、マイクロコンピュータ４１によって制御され、転舵モータ３１に電力を供給する駆動回路（インバータ回路）４２と、転舵モータ３１に流れるモータ電流を検出する電流検出部４３と、マイクロコンピュータ４１によって制御され、反力モータ１４に電力を供給する駆動回路（インバータ回路）４４と、反力モータ１４に流れるモータ電流を検出する電流検出部４５とを備えている。また、ＥＣＵ４０は、マイクロコンピュータ４１によって制御され、クラッチ６を駆動するための駆動回路４６を備えている。

マイクロコンピュータ４１は、ＣＰＵおよびメモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性メモリなど）を備えており、所定のプログラムを実行することによって、複数の機能処理部として機能するようになっている。この複数の機能処理部には、転舵モータ３１を制御するための転舵モータ制御部５０と、反力モータ１４を制御するための反力モータ制御部７０と、クラッチ６を制御するためのクラッチ制御部９０とを備えている。

クラッチ６は、例えば、常時は締結状態であり、通電状態とされることで解放状態となる。クラッチ制御部９０は、イグニッションキーがオン位置に操作されると、クラッチ６を解放状態にする。イグニッションキーがオン位置からオフ位置に操作されると、クラッチ制御部９０は、クラッチ６を締結状態にさせる。また、クラッチ制御部９０は、ステアバイワイヤモード時に何らかの異常が発生したときに、クラッチ６を締結状態にさせる。

さらに、クラッチ制御部９０は、転舵角センサ３７によって検出される転舵角δおよび反力モータ制御部７０から与えられる操舵角θｈに基づいてクラッチ６を締結したり解放したりする制御（以下において、「転舵角および操舵角に基づくクラッチ制御」という場合がある。）を行う。この実施形態では、操舵角θｈは、第２軸９の回転角である。転舵角および操舵角に基づくクラッチ制御の詳細について、後述する。

転舵モータ制御部５０は、反力モータ制御部７０から与えられる操舵角θｈ、車速センサ３８によって検出される車速Ｖ、転舵角センサ３７によって検出される転舵角δ、回転角センサ３６の出力信号および電流検出部４３によって検出される電流に基づいて、駆動回路４２を制御する。これにより、転舵モータ制御部５０は、操舵状態に応じた転舵制御を実現する。

反力モータ制御部７０は、転舵モータ制御部５０から与えられる転舵側目標操舵角θｈｔ^＊、回転角センサ１５の出力信号および電流検出部４５によって検出される電流に基づいて、駆動回路４４を制御する。これにより、反力モータ制御部７０は、操舵状態に応じた反力制御を実現する。
転舵モータ３１は、例えば三相ブラシレスモータであり、図３に図解的に示すように、界磁としてのロータ１００と、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のステータ巻線１０１，１０２，１０３を含むステータ１０５とを備えている。転舵モータ３１は、ロータの外部にステータを対向配置したインナーロータ型のものであってもよいし、筒状のロータの内部にステータを対向配置したアウターロータ型のものであってもよい。

各相のステータ巻線１０１，１０２，１０３の方向にＵ軸、Ｖ軸およびＷ軸をとった三相固定座標（ＵＶＷ座標系）が定義される。また、ロータ１００の磁極方向にｄ軸（磁極軸）をとり、ロータ１００の回転平面内においてｄ軸と直角な方向にｑ軸（トルク軸）をとった二相回転座標系（ｄｑ座標系。実回転座標系）が定義される。ｄｑ座標系は、ロータ１００とともに回転する回転座標系である。ｄｑ座標系では、ｑ軸電流のみがロータ１００のトルク発生に寄与するので、ｄ軸電流を零とし、ｑ軸電流を所望のトルクに応じて制御すればよい。ロータ１００の回転角（ロータ角（電気角））θｓは、Ｕ軸に対するｄ軸の回転角である。ｄｑ座標系は、ロータ角θｓに従う実回転座標系である。このロータ角θｓ_-を用いることによって、ＵＶＷ座標系とｄｑ座標系との間での座標変換を行うことができる。反力モータ１４は、例えば三相ブラシレスモータからなり、転舵モータ３１と同様な構造を有している。

図４は、転舵モータ制御部５０の構成例を示すブロック図である。
転舵モータ制御部５０は、角速度演算部５１と、転舵側目標操舵角設定部５２と、目標転舵角設定部５３と、角度偏差演算部５４と、ＰＩ（比例積分）制御部５５と、角速度偏差演算部５６と、ＰＩ制御部５７と、電流偏差演算部５８と、ＰＩ制御部５９と、ｄｑ／ＵＶＷ変換部６０と、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御部６１と、ＵＶＷ／ｄｑ変換部６２と、回転角演算部６３とを含む。

転舵側目標操舵角設定部５２は、反力モータ制御部７０内の操舵角演算部８３（図５参照）によって演算される操舵角θｈ（第２軸９の回転角）および車速センサ３８によって検出される車速Ｖに基づいて、ステアリングホイール２の回転角（操舵角）の目標値である転舵側目標操舵角θｈｔ^＊を演算する。たとえば、転舵側目標操舵角設定部５２は、所定の伝達関数を用いて車速Ｖおよび操舵角θｈに応じた転舵側目標操舵角θｈｔ^＊を設定する。つまり、転舵側目標操舵角設定部５２は、操舵状態を表す検出値（操舵状態検出値）に基づいて、転舵側目標操舵角θｈｔ^＊を設定する。

目標転舵角設定部５３は、転舵側目標操舵角設定部５２によって設定される転舵側目標操舵角θｈｔ^＊に基づいて、転舵角の目標値である目標転舵角δ^＊を設定する。目標転舵角設定部５３によって設定される目標転舵角δ^＊は、角度偏差演算部５４に与えられる。
角度偏差演算部５４は、目標転舵角設定部５３によって設定される目標転舵角δ^＊と、転舵角センサ３７によって検出される転舵角δとの偏差Δδ（＝δ^＊−δ）を演算する。

ＰＩ制御部５５は、角度偏差演算部５４によって演算される角度偏差Δδに対するＰＩ演算を行なうことにより、転舵角速度の目標値である目標転舵角速度ωｔ^＊を演算する。ＰＩ制御部５５によって演算される目標転舵角速度ωｔ^＊は、角速度偏差演算部５６に与えられる。
角速度演算部５１は、転舵角センサ３７によって検出される転舵角δを時間微分することによって、転舵角δの角速度（転舵角速度）ωｔを演算する。角速度演算部５１によって演算される転舵角速度ωｔは、角速度偏差演算部５６に与えられる。

角速度偏差演算部５６は、ＰＩ制御部５５によって演算される目標転舵角速度ωｔ^＊と、角速度演算部５１によって演算される転舵角速度ωｔとの偏差Δωｔ（＝ωｔ^＊−ωｔ）を演算する。
ＰＩ制御部５７は、角速度偏差演算部５６によって演算される角速度偏差Δωｔに対するＰＩ演算を行なうことにより、ｄｑ座標系の座標軸に流すべき電流の目標値である目標電流を演算する。具体的には、ＰＩ制御部５７は、目標ｄ軸電流Ｉ_ｄ ^＊および目標ｑ軸電流Ｉ_ｑ ^＊（以下、これらを総称するときには「目標二相電流Ｉ_ｄｑ ^＊」という。）を演算する。さらに具体的には、ＰＩ制御部５７は、目標ｑ軸電流Ｉ_ｑ ^＊を有意値として演算する一方で、目標ｄ軸電流Ｉ_ｄ ^＊を零とする。ＰＩ制御部５７によって演算される目標二相電流Ｉ_ｄｑ ^＊は、電流偏差演算部５８に与えられる。

回転角演算部６３は、回転角センサ３６の出力信号に基づいて、転舵モータ３１のロータの回転角（電気角。以下、「ロータ角θｓ」という。）を演算する。
電流検出部４３は、転舵モータ３１のＵ相電流Ｉ_Ｕ、Ｖ相電流Ｉ_ＶおよびＷ相電流Ｉ_Ｗ（以下、これらを総称するときは、「三相検出電流Ｉ_ＵＶＷ」という。）を検出する。電流検出部４３によって検出された三相検出電流Ｉ_ＵＶＷは、ＵＶＷ／ｄｑ変換部６２に与えられる。

ＵＶＷ／ｄｑ変換部６２は、電流検出部４３によって検出されるＵＶＷ座標系の三相検出電流Ｉ_ＵＶＷ（Ｕ相電流Ｉ_Ｕ、Ｖ相電流Ｉ_ＶおよびＷ相電流Ｉ_Ｗ）を、ｄｑ座標系の二相検出電流Ｉ_ｄおよびＩ_ｑ（以下総称するときには「二相検出電流Ｉ_ｄｑ」という。）に変換する。これらが電流偏差演算部５８に与えられる。ＵＶＷ／ｄｑ変換部６２における座標変換には、回転角演算部６３によって演算されたロータ角θｓが用いられる。

電流偏差演算部５８は、ＰＩ制御部５７によって演算される目標二相電流Ｉ_ｄｑ ^＊と、ＵＶＷ／ｄｑ変換部６２から与えられる二相検出電流Ｉ_ｄｑとの偏差を演算する。より具体的には、電流偏差演算部５８は、目標ｄ軸電流Ｉ_ｄ ^＊に対するｄ軸検出電流Ｉ_ｄの偏差および目標ｑ軸電流Ｉ_ｑ ^＊に対するｑ軸検出電流Ｉ_ｑの偏差を演算する。これらの偏差は、ＰＩ制御部５９に与えられる。

ＰＩ制御部５９は、電流偏差演算部５８によって演算される電流偏差に対するＰＩ演算を行なうことにより、転舵モータ３１に印加すべき目標二相電圧Ｖ_ｄｑ ^＊（目標ｄ軸電圧Ｖ_ｄ ^＊および目標ｑ軸電圧Ｖ_ｑ ^＊）を生成する。この目標二相電圧Ｖ_ｄｑ ^＊は、ｄｑ／ＵＶＷ変換部６０に与えられる。
ｄｑ／ＵＶＷ変換部６０は、目標二相電圧Ｖ_ｄｑ ^＊を目標三相電圧Ｖ_ＵＶＷ ^＊に変換する。この座標変換には、回転角演算部６３によって演算されたロータ角θｓが用いられる。目標三相電圧Ｖ_ＵＶＷ ^＊は、目標Ｕ相電圧Ｖ_Ｕ ^＊、目標Ｖ相電圧Ｖ_Ｖ ^＊および目標Ｗ相電圧Ｖ_Ｗ ^＊からなる。この目標三相電圧Ｖ_ＵＶＷ ^＊は、ＰＷＭ制御部６１に与えられる。

ＰＷＭ制御部６１は、目標Ｕ相電圧Ｖ_Ｕ ^＊、目標Ｖ相電圧Ｖ_Ｖ ^＊および目標Ｗ相電圧Ｖ_Ｗ ^＊にそれぞれ対応するデューティのＵ相ＰＷＭ制御信号、Ｖ相ＰＷＭ制御信号およびＷ相ＰＷＭ制御信号を生成し、駆動回路４２に供給する。
駆動回路４２は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相に対応した三相インバータ回路からなる。このインバータ回路を構成するパワー素子がＰＷＭ制御部６１から与えられるＰＷＭ制御信号によって制御されることにより、目標三相電圧Ｖ_ＵＶＷ ^＊に相当する電圧が転舵モータ３１の各相のステータ巻線１０１，１０２，１０３に印加される。

角度偏差演算部５４およびＰＩ制御部５５は、角度フィードバック制御手段を構成している。この角度フィードバック制御手段の働きによって、転舵輪３の転舵角δが、目標転舵角設定部５３によって設定される目標転舵角δ^＊に近づくように制御される。また、角速度偏差演算部５６およびＰＩ制御部５７は、角速度フィードバック制御手段を構成している。この角速度フィードバック制御手段の働きによって、転舵角速度ωｔが、ＰＩ制御部５５によって演算される目標転舵角速度ωｔ^＊に近づくように制御される。また、電流偏差演算部５８およびＰＩ制御部５９は、電流フィードバック制御手段を構成している。この電流フィードバック制御手段の働きによって、転舵モータ３１に流れるモータ電流が、ＰＩ制御部５７によって演算される目標二相電流Ｉ_ｄｑ ^＊に近づくように制御される。

図５は、反力モータ制御部７０の構成例を示すブロック図である。
反力モータ制御部７０は、反力側目標操舵角設定部７１と、角度偏差演算部７２と、ＰＩ制御部７３と、角速度偏差演算部７５と、ＰＩ制御部７６と、電流偏差演算部７７と、ＰＩ制御部７８と、ｄｑ／ＵＶＷ変換部７９と、ＰＷＭ制御部８０と、ＵＶＷ／ｄｑ変換部８１と、回転角演算部８２と、操舵角演算部８３と、角速度演算部８４とを含む。

回転角演算部８２は、回転角センサ１５の出力信号に基づいて、反力モータ１４のロータの電気角θ_Ｒおよび機械角θ_Ｍを演算する。操舵角演算部８３は、反力モータ１４のロータの機械角θ_Ｍを減速機１３の減速比で除算することにより、操舵角θｈを演算する。この実施形態では、操舵角演算部８３は、第２軸９の中立位置（基準位置）からの第２軸９の正逆両方向の回転量（回転角）を演算するものであり、中立位置から右方向への回転量を例えば正の値として出力し、中立位置から左方向への回転量を例えば負の値として出力する。

反力側目標操舵角設定部７１は、転舵角が転舵角限界値に到達していない場合には、転舵モータ制御部５０内の転舵側目標操舵角設定部５２によって設定される転舵側目標操舵角θｈｔ^＊に基づいて、第２軸９の回転角の目標値である反力側目標操舵角θｈｒ^＊を設定する。反力側目標操舵角設定部７１は、この実施形態では、転舵側目標操舵角設定部５２によって設定される転舵側目標操舵角θｈｔ^＊を反力側目標操舵角θｈｒ^＊として設定する。

一方、転舵角が転舵角限界値に到達した場合には、後述するように、反力側目標操舵角設定部７１は、クラッチ制御部９０から与えられる転舵角限界値での操舵角θｈｅｎｄを反力側目標操舵角θｈｒ^＊として設定する。このような反力側目標操舵角θｈｒ^＊の切替は、クラッチ制御部９０からの指令に基づいて行われる。
角度偏差演算部７２は、反力側目標操舵角設定部７１によって設定される反力側目標操舵角θｈｒ^＊と、操舵角演算部８３によって演算される操舵角θｈとの偏差Δθｈ（＝θｈｒ^＊−θｈ）を演算する。

ＰＩ制御部７３は、角度偏差演算部７２によって演算される角度偏差Δθｈに対するＰＩ演算を行なうことにより、操舵角速度の目標値である目標操舵角速度ωｈ^＊を演算する。ＰＩ制御部７３によって演算される目標操舵角速度ωｈ^＊は、角速度偏差演算部７５に与えられる。
角速度演算部８４は、操舵角演算部８３によって演算される操舵角θｈを時間微分することによって、操舵角θｈの角速度（操舵角速度）ωｈを演算する。角速度演算部８４によって演算される操舵角速度ωｈは、角速度偏差演算部７５に与えられる。

角速度偏差演算部７５は、ＰＩ制御部７３によって演算される目標操舵角速度ωｈ^＊と、角速度演算部８４によって演算される操舵角速度ωｈとの偏差Δωｈ（＝ωｈ^＊−ωｈ）を演算する。
ＰＩ制御部７６は、角速度偏差演算部７５によって演算される角速度偏差Δωｈに対するＰＩ演算を行なうことにより、ｄｑ座標系の座標軸に流すべき電流の目標値である目標電流を演算する。具体的には、ＰＩ制御部７６は、目標ｄ軸電流ｉ_ｄ ^＊および目標ｑ軸電流ｉ_ｑ ^＊（以下、これらを総称するときには「目標二相電流ｉ_ｄｑ ^＊」という。）を演算する。さらに具体的には、ＰＩ制御部７６は、目標ｑ軸電流ｉ_ｑ ^＊を有意値として演算する一方で、目標ｄ軸電流ｉ_ｄ ^＊を零とする。ＰＩ制御部７６によって演算される目標二相電流ｉ_ｄｑ ^＊は、電流偏差演算部７７に与えられる。

電流検出部４５は、反力モータ１４のＵ相電流ｉ_Ｕ、Ｖ相電流ｉ_ＶおよびＷ相電流ｉ_Ｗ（以下、これらを総称するときは、「三相検出電流ｉ_ＵＶＷ」という。）を検出する。電流検出部４５によって検出された三相検出電流ｉ_ＵＶＷは、ＵＶＷ／ｄｑ変換部８１に与えられる。
ＵＶＷ／ｄｑ変換部８１は、電流検出部４５によって検出されるＵＶＷ座標系の三相検出電流ｉ_ＵＶＷ（Ｕ相電流ｉ_Ｕ、Ｖ相電流ｉ_ＶおよびＷ相電流ｉ_Ｗ）を、ｄｑ座標系の二相検出電流ｉ_ｄおよびｉ_ｑ（以下総称するときには「二相検出電流ｉ_ｄｑ」という。）に変換する。これらが電流偏差演算部７７に与えられる。ＵＶＷ／ｄｑ変換部８１における座標変換には、回転角演算部８２によって演算された電気角θ_Ｒが用いられる。

電流偏差演算部７７は、ＰＩ制御部７６から出力される目標二相電流ｉ_ｄｑ ^＊と、ＵＶＷ／ｄｑ変換部８１から与えられる二相検出電流ｉ_ｄｑとの偏差を演算する。より具体的には、電流偏差演算部７７は、目標ｄ軸電流ｉ_ｄ ^＊に対するｄ軸検出電流ｉ_ｄの偏差および目標ｑ軸電流ｉ_ｑ ^＊に対するｑ軸検出電流ｉ_ｑの偏差を演算する。これらの偏差は、ＰＩ制御部７８に与えられる。

ＰＩ制御部７８は、電流偏差演算部７７によって演算される電流偏差に対するＰＩ演算を行なうことにより、反力モータ１４に印加すべき目標二相電圧ｖ_ｄｑ ^＊（目標ｄ軸電圧ｖ_ｄ ^＊および目標ｑ軸電圧ｖ_ｑ ^＊）を生成する。この目標二相電圧ｖ_ｄｑ ^＊は、ｄｑ／ＵＶＷ変換部７９に与えられる。
ｄｑ／ＵＶＷ変換部７９は、目標二相電圧ｖ_ｄｑ ^＊を目標三相電圧ｖ_ＵＶＷ ^＊に変換する。この座標変換には、回転角演算部８２によって演算された電気角θ_Ｒが用いられる。目標三相電圧ｖ_ＵＶＷ ^＊は、目標Ｕ相電圧ｖ_Ｕ ^＊、目標Ｖ相電圧ｖ_Ｖ ^＊および目標Ｗ相電圧ｖ_Ｗ ^＊からなる。この目標三相電圧ｖ_ＵＶＷ ^＊は、ＰＷＭ制御部８０に与えられる。

ＰＷＭ制御部８０は、目標Ｕ相電圧ｖ_Ｕ ^＊、目標Ｖ相電圧ｖ_Ｖ ^＊および目標Ｗ相電圧ｖ_Ｗ ^＊にそれぞれ対応するデューティのＵ相ＰＷＭ制御信号、Ｖ相ＰＷＭ制御信号およびＷ相ＰＷＭ制御信号を生成し、駆動回路４４に供給する。
駆動回路４４は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相に対応した三相インバータ回路からなる。このインバータ回路を構成するパワー素子がＰＷＭ制御部８０から与えられるＰＷＭ制御信号によって制御されることにより、目標三相電圧ｖ_ＵＶＷ ^＊に相当する電圧が反力モータ１４の各相のステータ巻線に印加される。

角度偏差演算部７２およびＰＩ制御部７３は、角度フィードバック制御手段を構成している。この角度フィードバック制御手段の働きによって、操舵角θｈが、反力側目標操舵角設定部７１によって設定される反力側目標操舵角θｈｒ^＊に近づくように制御される。また、角速度偏差演算部７５およびＰＩ制御部７６は、角速度フィードバック制御手段を構成している。この角速度フィードバック制御手段の働きによって、操舵角速度ωｈが、ＰＩ制御部７３によって演算される目標操舵角速度ωｈ^＊に近づくように制御される。また、電流偏差演算部７７およびＰＩ制御部７８は、電流フィードバック制御手段を構成している。この電流フィードバック制御手段の働きによって、反力モータ１４に流れるモータ電流が、ＰＩ制御部７６から出力される目標二相電流Ｉ_ｄｑ ^＊に近づくように制御される。

図６は、クラッチ制御部９０による転舵角および操舵角に基づくクラッチ制御を説明するためのフローチャートである。
クラッチ制御部９０は、転舵角センサ３７によって検出される転舵角δを取得する(ステップＳ１)。そして、クラッチ制御部９０は、転舵角δが転舵角限界値に到達したか否かを判別する(ステップＳ２)。転舵角限界値は、ラック軸１７が図示しないラックストッパに当接する位置にほぼ対応する転舵角であり、右転舵方向の限界値δＲｅｎｄ（δＲｅｎｄ＞０）と、左転舵方向の限界値δＬｅｎｄ（δＬｅｎｄ＜０）とがある。転舵角δがδＲｅｎｄ以上であるときまたは転舵角δがδＬｅｎｄ以下であるときにクラッチ制御部９０は転舵角限界値に達したと判別する。

転舵角δが転舵角限界値に到達していない場合には(ステップＳ２：ＮＯ)、クラッチ制御部９０はステップＳ１に戻る。
前記ステップＳ２において、転舵角δが転舵角限界値に到達していると判別された場合には(ステップＳ２：ＹＥＳ)、クラッチ制御部９０は、操舵角演算部８３によって演算されている操舵角θｈを取得する(ステップＳ３)。そして、クラッチ制御部９０は、取得した操舵角θｈを、転舵角限界値での操舵角θｈｅｎｄとしてメモリ（図示略）に記憶する(ステップＳ４)。

次にクラッチ制御部９０は、ステップＳ４で記憶した転舵角限界値での操舵角θｈｅｎｄを反力側目標転舵角設定部７１に与えるとともに、当該操舵角θｈｅｎｄが反力側目標操舵角θｈｒ^＊として設定されるように、反力側目標転舵角設定部７１を制御する(ステップＳ５)。これにより、反力モータ１４の回転角が、転舵角限界値に対応した操舵角θｈｅｎｄに一致するように制御される。つまり、ステアリングホイール２が、トーションバー８の捩れ分を無視して、転舵角限界値に対応した位置に固定制御され、車両の運転者は転舵角が限界値に達していることを認識することができる。

次にクラッチ制御部９０は、反力モータ制御部７０内の操舵角演算部８３によって演算されている操舵角θｈを取得し(ステップＳ６)、次式(1)で示される第１条件を満たしているか否かを判別する(ステップＳ７)。
｜θｈ｜≧｜θｈｅｎｄ＋α｜ …(1)
式(1)において、｜θｈ｜はステップＳ６で取得される操舵角θｈの絶対値である。θｈｅｎｄは、ステップＳ４でメモリに記憶された転舵角限界値での操舵角である。αは、零よりも大きな第１所定値である。｜θｈｅｎｄ＋α｜は、転舵角限界値での操舵角θｈｅｎｄに第１所定値αを加算した値の絶対値である。

第１条件を満たしていないと判別された場合には(ステップＳ７：ＮＯ)、クラッチ制御部９０は、ステップＳ６で取得した操舵角θｈの絶対値｜θｈ｜が、ステップＳ４でメモリに記憶された転舵角限界値での操舵角の絶対値｜θｈｅｎｄ｜未満であるか否かを判別する(ステップＳ８)。操舵角θｈの絶対値｜θｈ｜が転舵角限界値での操舵角の絶対値｜θｈｅｎｄ｜以上である場合には(ステップＳ８：ＮＯ)、クラッチ制御部９０は、ステップＳ６に戻る。

ステップＳ８において、操舵角θｈの絶対値｜θｈ｜が転舵角限界値での操舵角の絶対値｜θｈｅｎｄ｜未満であると判別された場合には(ステップＳ８：ＹＥＳ)、クラッチ制御部９０はステップＳ９に移行する。ステップＳ９では、クラッチ制御部９０は、操舵角θｈｅｎｄが反力側目標操舵角θｈｒ^＊として設定されるのが解除され、転舵側目標操舵角θｈｔ^＊が反力側目標操舵角θｈｒ^＊として設定されるように反力側目標転舵角設定部７１を制御する。そして、クラッチ制御部９０は、ステップＳ１に戻る。

ステップＳ７において、第１条件を満たしていると判別された場合には(ステップＳ７：ＹＥＳ)、クラッチ制御部９０はクラッチ６を締結する(ステップＳ１０)。これにより、ステアリングシャフト５（ステアリングホイール２）と転舵機構４とが連結され、ラック軸１７がラックストッパに当接するようになる。このようにクラッチ６が締結されても、このクラッチ締結状態は一時的であるので、転舵モータ制御部５０および反力モータ制御部７０は、ステアバイワイヤモードでの動作を継続する。

次にクラッチ制御部９０は、反力モータ制御部７０内の操舵角演算部８３によって演算されている操舵角θｈを取得し(ステップＳ１１)、次式(2)で示される第２条件を満たしているか否かを判別する(ステップＳ１２)。
｜θｈ｜≦｜θｈｅｎｄ＋β｜ …(2)
式(2)において、｜θｈ｜はステップＳ１１で取得される操舵角θｈの絶対値である。θｈｅｎｄは、ステップＳ４でメモリに記憶された転舵角限界値での操舵角である。βは、第２所定値であり、零以上でかつ第１所定値αよりも小さい（０≦β＜α）。｜θｈｅｎｄ＋β｜は、転舵角限界値での操舵角θｈｅｎｄに第２所定値βを加算した値の絶対値である。

第２条件を満たしていない場合には(ステップＳ１２：ＮＯ）、クラッチ制御部９０は、ステップＳ１１に戻り、再度、ステップＳ１１，１２の処理を行う。ステップＳ１２において、第２条件を満たしていると判別された場合には(ステップＳ１２：ＹＥＳ）、クラッチ制御部９０は、クラッチ６を開放する(ステップＳ１３)。これにより、ステアリングシャフト５（ステアリングホイール２）と転舵機構４との連結が解除される。この後、クラッチ制御部９０は、操舵角θｈｅｎｄが反力側目標操舵角θｈｒ^＊として設定されるのが解除され、転舵側目標操舵角θｈｔ^＊が反力側目標操舵角θｈｒ^＊として設定されるように反力側目標転舵角設定部７１を制御する(ステップＳ９)。そして、クラッチ制御部９０は、ステップＳ１に戻る。

前述の実施形態では、転舵角δが転舵角限界値に到達すると、操舵角θｈが取得される。そして、取得された操舵角θｈが、転舵角限界値での操舵角θｈｅｎｄとしてメモリに記憶される（Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４参照）。また、転舵角限界値での操舵角θｈｅｎｄが反力側目標操舵角θｈｒ^＊として設定されるように、反力側目標転舵角設定部７１が制御される（Ｓ５参照）。転舵角δが転舵角限界値に到達した後において、操舵角θｈの絶対値｜θｈ｜が、転舵角限界値での操舵角θｈｅｎｄに第１所定値αを加算した値の絶対値｜θｈｅｎｄ＋α｜以上とならずに、転舵角限界値での操舵角θｈｅｎｄの絶対値｜θｈｅｎｄ｜未満になったときには、転舵側目標操舵角θｈｔ^＊が反力側目標操舵角θｈｒ^＊として設定されるように反力側目標転舵角設定部７１が制御された後、ステップＳ１に戻る（Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９参照）。

転舵角δが転舵角限界値に到達した後において、ステアリングホイール２が反力モータ１４による操作反力に抗して切り増し方向に回転され、操舵角θｈの絶対値｜θｈ｜が、転舵角限界値での操舵角θｈｅｎｄに第１所定値αを加算した値の絶対値｜θｈｅｎｄ＋α｜以上になると、クラッチ６が締結される（Ｓ７、Ｓ１０参照）。これにより、ステアリングシャフト５（ステアリングホイール２）と転舵機構４とが連結され、ラック軸１７がラックストッパに当接するようなるため、ステアリングホイール２の回転が抑制される。

この後、ステアリングホイール２が中立位置方向に回転され、操舵角θｈの絶対値｜θｈ｜が、転舵角限界値での操舵角θｈｅｎｄに第２所定値βを加算した値の絶対値｜θｈｅｎｄ＋β｜以下になると、クラッチ６が解放される（Ｓ１２、Ｓ１３参照）。そして、転舵側目標操舵角θｈｔ^＊が反力側目標操舵角θｈｒ^＊として設定されるように反力側目標転舵角設定部７１が制御された後、ステップＳ１に戻る（Ｓ９参照）。

この実施形態では、転舵角δの転舵角限界値への到達後に、ステアリングホイール２が反力モータ１４による操作反力に抗して切り増し方向に第１所定値α以上回転されたときに、クラッチ６が締結される。このため、ラック軸が移動端に達する度にクラッチ６が締結される特許文献１に記載の従来技術に比べて、クラッチ６の締結頻度が低減する。このため、クラッチの作動音の発生頻度を低減できるとともに、クラッチの耐久性を高めることができる。

以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、操舵角θｈは反力モータ１４の回転角を検出する回転角センサ１５の出力に基づいて演算されている。しかし、図１に鎖線１１で示すように、ステアリングシャフト５の近傍にステアリングシャフト５の回転角を検出する操舵角センサを設け、当該操舵角センサによって操舵角θｈを検出するようにしてもよい。この場合には、反力モータ制御部７０内の操舵角演算部８３を省略できる。

また、前述の実施形態では、転舵角センサ３７によって転舵角δを検出しているが、転舵モータ３１の回転角を検出するための回転角センサ３６の出力信号に基づいて、転舵角δを演算するようにしてもよい。この場合には、転舵角センサ３７を省略できる。
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。

１…車両用操舵装置、２…ステアリングホイール、６…クラッチ、３…転舵輪、４…転舵機構、５…ステアリングシャフト、１４…反力モータ、１５…回転角センサ、３１…転舵モータ、３６…回転角センサ、３７…転舵角センサ、４０…ＥＣＵ、４１…マイクロコンピュータ、５０…転舵モータ制御部、７０…反力モータ制御部、８３…操舵角演算部、９０…クラッチ制御部

Claims (2)

1. 車両を操向するための操舵部材と、
   転舵輪を転舵させるための転舵機構と、
   前記操舵部材と前記転舵輪との間の動力伝達経路に設けられたクラッチと、
   前記動力伝達経路における前記クラッチよりも前記操舵部材側の部分に連結され、前記操舵部材に操舵反力を付与するための反力モータと、
   前記動力伝達経路における前記クラッチよりも前記転舵輪側の部分に連結され、前記転舵輪を転舵させるための転舵モータと、
   前記反力モータを制御するための反力モータ制御部と、
   前記クラッチを制御するためのクラッチ制御部と、
   前記転舵輪の転舵角を取得する転舵角取得手段と、
   前記操舵部材の操舵角を取得する操舵角取得手段と、を備え、
   前記クラッチが解放状態において、前記転舵輪の転舵角が転舵角限界値に到達した場合、前記反力モータ制御部は、前記反力モータの回転角が、前記転舵角限界値に対応した操舵角である第１操舵角に一致するように前記反力モータを制御し、前記クラッチ制御部は、前記操舵部材が、前記第１操舵角に対して、操舵中立位置側とは反対方向に第１所定値以上回転したときには、前記クラッチを締結させるように構成されており、
   前記クラッチ制御部は、前記転舵角取得手段によって取得される転舵角が前記転舵角限界値に達したときに、前記操舵角取得手段によって取得される操舵角の絶対値を、前記第１操舵角として記憶し、前記転舵角取得手段によって取得される転舵角が転舵角限界値に達してから、前記操舵角取得手段によって取得される操舵角の絶対値が、前記第１操舵角未満にならずに、前記第１操舵角に前記第１所定値を加算した値以上となったときに、前記クラッチを締結させる、車両用操舵装置。
2. 前記クラッチ制御部は、
   前記クラッチが締結された後において、前記転舵角取得手段によって取得される転舵角の絶対値が、前記第１操舵角の絶対値に零以上でかつ前記第１所定値よりも小さい第２所定値を加算した角度以下となったときに、前記クラッチを解放させる、請求項１に記載の車両用操舵装置。

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