JP6801111B2 - 電動式のサーボモータを備えたステアリングシステムにおけるラック位置を特定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、電動式のサーボモータを備えたステアリングシステムにおけるラック位置を特定する方法に関する。

独国特許出願公開第１０２０１００６２５７７号明細書（ＤＥ１０２０１００６２５７７Ａ１）には、ステアリング運動を支援するための電動式のサーボモータを備えた車両内のステアリングシステムが記載されている。このサーボモータのサーボトルクは、例えば、車両の操舵輪を調整するステアリングシステムのラックに対する伝動装置を介して伝達することができる。

その他に、運転者によりステアリングホイールを介して調整されるステアリングシャフトの現在の操舵角を検出する操舵角センサも公知である。独国特許出願公開第１９７０３９０３号明細書（ＤＥ１９７０３９０３Ａ１）によれば、ステアリングシャフトに永久磁石が固定され、ハウジング側においては、この永久磁石に、回転するステアリングシャフトのもとで磁界変化を記録することができる磁界感知センサが対応付けられており、それによって、操舵角を推定することが可能である。

独国特許出願公開第１０２０１００６２５７７号明細書 独国特許出願公開第１９７０３９０３号明細書

本発明に係る方法は、電動式のサーボモータを備えた車両のステアリングシステムにおいて使用することができ、電動式のサーボモータを介して、支援すべきサーボトルクがステアリングシステムに供給可能である。ここでは、様々な基本機能を示すことができる。一方では、運転者ベースの運転を実現することが可能であり、この場合、運転者によって生成され、ステアリングホイールを介して加えられる手動トルクの支援のために、電動サーボトルクがステアリングシステムに供給される（パワーアシスト）。他方では、電動式のサーボモータを用いて、自動運転を実現することができ、この場合、ステアリングシステムのラックが、電動式のサーボモータのサーボトルクによって自動的に調整され、それに伴い車両アクスルを介して車両の操舵輪における車輪転舵角を生成するために、所望のラック位置が設定される（ラック位置制御）。本発明に係る方法の支援により、電動式のサーボモータを備えたステアリングシステムにおけるラック位置を、サーボモータとラックとの間の伝達経路における、特にサーボモータとラックとの間の伝動装置における運動学的変化を考慮して特定することができる。

このステアリングシステムは、ステアリングホイールを介して運転者から操作され、ステアリングピニオンを介してラックに運動学的に結合されているステアリングシャフト又はスピンドルを備えている。そのためラックは、操舵運動の際に軸方向調整運動を実行し、この軸方向調整運動は、操舵輪の所望の車輪転舵運動に変換される。サーボモータは、ラックに運動学的に結合されており、そのため、サーボモータのロータ運動は、軸方向ラック運動に同期して行われる。好ましくは、電動式のサーボモータとラックとの間には伝動装置が存在し、その伝動装置入力軸は、ロータに運動学的に結合され、その伝動装置出力軸は、ラックに運動学的に結合されている。測定されたロータ位置に基づいて、ラック位置を決定することができる。これについては初期化のために、既知の絶対位置が必要である。

本発明に係る方法においては、サーボモータのロータの運動学的及び／又は動的ロータ変数が、割り当てられた限界値の超過について検査される。この限界値を超過した場合、イベント信号が生成される。この手順により、ステアリング運動の支援が、電動式のサーボモータを用いて適当な方法により行われることが保証されている。ここでは、特に、サーボモータからラックへのサーボトルクの伝達の際の、ラック位置検出に影響を及ぼす障害を検出することができる。

例えば、電動式のサーボモータとラックとの間の伝動装置の入力軸と出力軸との間の角度オフセットを特定することができ、これによって、サーボモータのロータとラックとの間の相対位置が変化する。このことは、伝動装置内部の稀なケースにおいて、例えば、摩擦クラッチの解除の際に、又は、伝達経路内部での滑りの際に、又は、サーボモータのロータと伝動装置との間若しくは伝動装置とラックとの間の結合において発生する。このようなオフセット（以下においては、ずれとも称する）が発生した場合、絶対ラック位置をもはや正確に知ることができなくなり、これによって、ラック位置制御において、問題が生じる可能性がある。これらの問題は、特に自動運転に基づく。

ラック位置は、通常、サーボモータのロータ位置を検出するロータ位置センサを備えたステアリングシステムにおいて、適当な機能のもとで決定される。この相対情報からは、ステアリングシャフト又はステアリングピニオン上のインデックスセンサを用いた初期化後に、絶対ラック位置を決定することができる。インデックスセンサは、ステアリングシャフトの各回転のもとで、所定の箇所において、インデックス信号を供給する。このインデックス信号は、関係性の妥当性検査のために使用することが可能である。従って、動作中は、絶対ラック位置を決定するのにサーボモータの現在のロータ位置を検出するロータ位置センサの情報で十分である。

しかしながら、例えば、サーボモータとラックとの間の伝動装置の入力軸と出力軸との間でずれが発生すると、絶対ラック位置は、もはやロータ位置に基づくだけでは十分な精度で知ることができない。このケースは、本発明に係る方法を用いて、サーボモータの運動学的又は動的ロータ変数を、割り当てられた限界値の超過について検査することで検出することができる。限界値を超過する場合には、例えば、伝動装置の入力軸と出力軸との間の前述したずれに起因する危機的イベントを想定する必要があり、それに続いて、危機的状況を示唆するイベント信号が生成される。運動学的又は動的ロータ変数は、割り当てられた限界値を超過した場合に、電動式のサーボモータとラックとの間の伝達経路にずれが生じたこと、及び、絶対ラック位置がもはや一義的に識別することができないことについての示唆を提供する。

観察されるロータ変数は、運動学的変数又は動的変数であってもよい。運動学的ロータ変数とは、例えばロータ回転速度であり、場合によってはロータ回転加速度でもあり得る。この場合、ロータ回転速度及びロータ回転加速度は、ロータ位置センサを用いて求められる現在のロータ位置に基づいて決定され得る。例えば、ロータ回転速度は、伝動装置内の入力軸と出力軸との間のクラッチが滑っている場合には、割り当てられた限界値を超過する値をとり、それに続いて、イベント信号が生成される。付加的又は代替的に、ロータ回転加速度も、限界値の超過について観察することができる。

動的ロータ変数として、例えば、電動式のサーボモータ内で生成され、ロータを介して伝達されるモータトルクが考えられる。このモータトルクの突発的な変化は、割り当てられた限界値の上回り又は下回りの検査によって特定することができ、それらは、例えば、伝動装置内のクラッチの滑りなどのエラーを示唆しており、それに続いて、イベント信号が生成される。このモータトルクは、トルクセンサを介して直接的に測定することができ、又は、物理的関係から、特に電動式のサーボモータのモータ電流の測定から、間接的に求めることができる。

本発明の趣旨においては、限界値の超過とは、上限値を上回る増加も、下限値を下回る低下も意味するものである。

さらなる好ましい実施形態によれば、イベント信号は、自動運転の起動を阻止するために使用される。この実施形態においては、本発明は、前述した方法により構造化され自動化されて動作するステアリングシステムを制御する方法に関しており、この場合、ラック位置検出の際の誤動作は、自動運転の起動を阻止するためのイベント信号を導出する。

自動運転用の特定の範囲内においては、通常、イベント信号は考慮されない。しかしながら、ステアリングシステムが仕様外で動作する場合、自動運転中に発生するイベント信号が自動運転の中断のために用いられないことは、合目的的でもあり得る。この実施形態においては、本発明は、前述したステアリングシステムにおける電動式のサーボモータの対応する制御と、ラック位置検出における誤動作を特定するための連続的な監視とを伴う自動的な自動運転に関する。自動運転中にラック位置検出における誤動作に結び付く危機的なイベントが発生した場合には、安全上の理由から、先ず自動運転を継続させ、順を追って運転者ベースの運転へ移行させることは、それでもなお有利であり得る。

さらに別の合目的的な実施形態によれば、サーボモータの運動学的又は動的ロータ変数の監視は、サーボモータによって受け入れられる１つ以上の相電流に基づいて行われる。サーボモータの駆動制御は、合目的的には、論理演算回路と電力ユニットとを備えた制御装置を介して行われ、この場合、相電流のレベルは、制御装置内で既知である。

本発明はさらに、前述した方法の実施に適した手法で構成されている制御装置に関する。その他に、本発明は、前述した手法で構成されている以外に、前述の方法ステップを実施し、電動式のサーボモータを駆動制御する制御装置を含むステアリングシステムに関する。

制御装置内においては、サーボモータを制御し、センサによって検出された変数に基づいて生成される相電流が生成する。センサによって検出された変数は、一方では、好ましくはロータ位置センサのセンサ信号であり、他方では、ステアリングシャフトの回転を検出するためのステアリングシャフト又はステアリングピニオン上のインデックスセンサのセンサ信号である。運転者が制御する運転モードにおいては、サーボモータの駆動制御は、運転者の測定された手動トルクに基づいて行われる。

さらなる合目的的な実施形態によれば、ステアリングシャフトのインデックス位置の新たな追加操作の後で、伝動装置の入力シャフトと出力シャフトとの間でずれが存在しないことが特定された場合に、イベント信号を再び消去又は取り消すことができる。

車両内のステアリングシステムの概略図。 ステアリングシステムのラックに対して軸平行に配置された電動式のサーボモータを備えたステアリングシステムの図。 ラック位置検出における誤動作を特定する方法ステップを含んだフローチャート。

図面において、同等の構成部品には同一の参照符号が付されている。

図１には、ステアリングホイール２、ステアリングシャフト３、及び、内部にラック５が収容されたステアリングハウジング４を備えたステアリングシステム１が示されており、ラック５を介して運転者によるステアリング運動が、車両の操舵輪に伝達される。運転者は、ステアリングシャフト３に回動不動に装着されたステアリングホイール２を介して、操舵角δ_Ｌを設定し、この操舵角δ_Ｌが、ステアリングピニオンを介してラック５の調整運動に伝達される。それに続いて、操舵輪６において、車輪転舵角δ_Ｖが生じる。

運転者によって加えられる手動トルクの支援のために、電動式のサーボモータ７が用いられ、この電動式のサーボモータ７を介して、サーボトルクがステアリングシステム１に供給可能である。サーボモータ７は、自動運転の実現のために、運転者の手動トルクに依存することなく自動的に駆動制御することも可能である。このケースにおいては、操舵運動は、サーボモータ７のサーボトルクのみによって生成される。

図２から見て取れるように、電動式のサーボモータ７は、例示的にラック５に対して軸平行に配置されている。このサーボモータ７は、ステアリングハウジング４にフランジで取り付けられており、この場合、サーボモータ７のモータ長手軸線８は、ラック５の長手軸線９と平行に延在し、ラック５は、ステアリングシャフト３により、長手軸線９に沿った並進移動によって調整される。電動式のサーボモータ７のロータの駆動運動は、アシスト運動としてラック５に伝達される。サーボモータ７には、当該サーボモータ７のモータ駆動制御を実施する制御装置１０が対応付けられている。

電動式のサーボモータ７とラック５との間には伝動装置１１が配置されており、この伝動装置１１を介して電動式のサーボモータ７のアシスト運動がラック５に伝達される。伝動装置１１の伝動装置ハウジングは、ステアリングハウジング４に接続されている。

好ましい実施形態においては、電動式のサーボモータ７に、ロータ位置センサが対応付けられており、このロータ位置センサを用いて、サーボモータのロータのロータ位置が検出され得る。さらに、ステアリングシャフト３、又は、当該ステアリングシャフト３に装着されて、これを介してステアリング運動をラック５の並進移動による調整運動に伝達するステアリングピニオンには、ステアリングホイール角センサ及びインデックスセンサが設けられており、インデックスセンサは、既知の所定の位置において、ステアリングシャフトの１つの全回転のもとで１つのインデックス信号を生成する。これにより、伝動装置の入力軸と出力軸との間の関係が検出される。

図３は、ラック位置検出における誤動作を特定し、イベント信号を生成することができる様々な方法ステップを含んだフローチャートを示している。

第１の方法ステップ２０においては、ステアリングシステムのセンサ信号、特に、ロータ位置センサ、手動トルクセンサの信号及びインデックスセンサの信号が連続的に検出され、評価される。これらの信号に基づいて、電動式のサーボモータを駆動制御する相電流が、制御装置内において生成される。

次の方法ステップ２１においては、電動式のサーボモータによって生成されたモータトルク及び／又はサーボモータ内のロータ回転速度が、割り当てられた値範囲外にあるかどうかの問合せが行われる。このケースは、例えば、電動式のサーボモータとラックとの間の伝動装置における危機的状況において発生する。この場合、当該伝動装置は、例えば摩擦クラッチを備えていてもよく、危機的状況の場合、摩擦クラッチは滑る。この状況は、運動学的又は動的ロータ変数の経過から検出することができる。ロータ位置センサのセンサ信号から求めることができるロータ回転速度の場合、摩擦クラッチの滑りは、サーボモータに印加される負荷の突発的な変化を意味し、それに続いて、ロータの回転速度も変化する。このことは、方法ステップ２１における割り当てられた限界値との比較に基づいて検出することが可能である。

付加的又は代替的に、サーボモータのモータトルクを観察することも可能である。摩擦クラッチが滑り、それに伴ってサーボモータの負荷に変化が生じると、モータトルクも変化し、割り当てられた限界値を下回る又は上回る。このモータトルクは、特に、制御装置内の相電流に基づいて検出することができる。なぜなら、モータトルクは、相電流から求めることができるからである。

ステップ２１における問合せにより、運動学的又は動的ロータ変数が許容値範囲内にあることが示されている場合、「ノー」分岐（符号「Ｎ」）に従って、ステップ２０にフィードバックされ、当該ステップ２０が、周期的な間隔で新たに繰り返される。

それに対して、ステップ２１における問合せにより、観察された運動学的又は動的ロータ変数が許容値範囲外にあることが示されている場合には、「イエス」分岐（符号「Ｙ」）に従って、次のステップ２２に進み、そこでイベント信号が生成される。このイベント信号は、運転者ベースの運転の場合には、自動運転の起動を阻止する。それに対して、自動運転が既に起動しており、当該イベント信号が自動運転中に生成されてしまった場合には、この自動運転が中断されるのではなく、好ましくは順を追った方法により、運転者ベースの運転へ移行することが導入される。

１ ステアリングシステム
２ ステアリングホイール
３ ステアリングシャフト
４ 伝動装置ハウジング
５ ラック
６ 前輪
７ 電動式のサーボモータ
８ モータ長手軸線
９ ラック５の長手軸線
１０ 制御装置
１１ 伝動装置

Claims (12)

1. 電動式のサーボモータ（７）を備えたステアリングシステム（１）におけるラック位置を、前記サーボモータ（７）とラック（５）との間の伝達経路における運動学的変化に基づいて特定する方法であって、
   前記ステアリングシステム（１）の動作中に、絶対ラック位置が、前記サーボモータ（７）のロータ位置を検出するロータ位置センサを用いて特定され、
   前記サーボモータ（７）の運動学的又は動的ロータ変数が、割り当てられた限界値を超過する場合に、イベント信号が生成され、前記イベント信号は、前記サーボモータ（７）と前記ラック（５）との間の伝達経路にずれが生じたこと、及び、前記絶対ラック位置がもはや一義的に識別することができないことについての示唆を提供する、方法。
2. 前記ステアリングシステム（１）のステアリングシャフト（３）又はステアリングピニオンにおけるインデックスセンサを介して、前記ステアリングシャフト（３）の回転が検出される、請求項１に記載の方法。
3. 前記ロータ位置センサは、ロータ位置相対情報を供給し、前記インデックスセンサは、前記ロータ位置センサの初期化のために使用される、請求項２記載の方法。
4. 前記サーボモータ（７）と前記ラック（５）との間に伝動装置（１１）が配置されており、前記イベント信号は、前記伝動装置（１１）の入力軸と出力軸との間のずれを示す、請求項３に記載の方法。
5. 前記イベント信号は、前記ステアリングシャフト（３）の回転に基づく前記インデックスセンサを介したインデックス信号の生成の後で、前記伝動装置（１１）の入力軸と出力軸との間にずれが存在しないことが特定される場合に、消去される、請求項４に記載の方法。
6. 監視される前記運動学的ロータ変数は、ロータ回転速度である、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
7. 監視される前記動的ロータ変数は、ロータを介して伝達されるモータトルクである、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記イベント信号は、自動運転の起動を阻止するために用いられる、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記イベント信号は、前記イベント信号が自動運転中に発生した場合には、当該自動運転の即時の中断のためには用いられない、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記サーボモータ（７）の前記運動学的又は動的ロータ変数は、前記サーボモータ（７）の相電流に基づいて監視される、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の方法。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の方法を実施するように構成された制御装置（１０）。
12. 請求項１１に記載の制御装置（１０）と、ラック（５）と運動学的に結合されたステアリングシャフト（３）と、電動式のサーボモータ（７）と、前記ラック（５）にサーボトルクを導入する伝動装置（１１）とを備えている、ステアリングシステム（１）。

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