(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【背景技術】
【0002】
家電機器や医療機器等に使用される駆動モータにおいて、モータの回転速度をオープンループ制御することにより、一方向に対して出力されるトルクを制御する技術が知られている(例えば、特許文献1、2参照)。
また、車両の発進時や走行時の意図しない急激な加速などを抑制するために、例えば、アクセルペダルを踏み込む力(踏力)とは逆方向の力(反力)をアクセルペダルに出力するアクセルペダル装置が知られている(例えば、特許文献3参照)。
【0003】
特許文献3に記載のアクセルペダル装置は、ペダルアームの基端を回動可能に軸支するハウジングに、ペダルアームを初期位置に戻すためのリターンスプリングと、反力を作り出すためのモータと、そのモータの回転をペダルアームに伝達するためのレバーとが内蔵されている。このアクセルペダル装置では、モータが制御装置によってアクセルペダルの踏込状態に応じた出力に制御され、その出力が伝達レバーを通してペダルアームに付与されるようになっている。
【0004】
アクセルペダル装置などに用いられる反力出力装置は、急加速を抑制するためだけでなく、アクセルペダルとスロットルバルブとの連結を省略した構成(いわゆるドライブバイワイヤ)を採用した場合に、アクセルペダルの自然な踏み心地(アクセルフィーリング)を運転者に与えるためにも使用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、従来のモータの制御装置では、一方向に出力されているトルクと逆向きの力が駆動モータに付与された場合、モータの内部において逆起電流が生じる場合があった。この逆起電流により、駆動モータは、予め決められた制御量に基づいて出力されるトルクよりも大きいトルクを出力する場合があった。
【0007】
また、従来の反力出力装置では、駆動モータが、逆方向の力をアクセルペダルに出力している際に、さらに踏み込む力が付与されると、モータ内に逆起電流が生じる場合があった。この結果、反力出力装置では、出力すべき反力よりも大きい反力を出力する場合があった。
【0008】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、操作中に過剰に反力が出力されるのを抑制することができる反力出力装置を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の反力出力装置は以下の構成を採用した。
(1)回転する出力軸を有し、前記出力軸に連結された駆動部材を駆動することで、人により操作される操作子に対し、操作方向とは逆方向
に作用する力を出力する
モータと、
前記力が出力される方向の逆方向への前記出力軸の回転数が閾値以上であるか否かを判定し、前記力が出力される方向の逆方向への前記出力軸の回転
数が
前記閾値
未満であると判定した場合、入力値に基づくデューティ比で前記駆動部への通電を制御し、
前記力が出力される方向の逆方向への前記出力軸の回転
数が
前記閾値
以上であると判定した場合、
前記入力値と、前記力が出力される方向の逆方向に前記出力軸が回転することで前記モータ内部で発生する逆起電流の電流量とに基づいて決定されるデューティ比で前記
モータへの通電を制御する制御部と、を備えるようにした。
係る構成によれば
、反力出力装置は、
モータ内部で発生する逆起電流分の反力の一部または全部を相殺するように
モータに通電することができる。この結果、反力出力装置は、操作中に過剰に反力が出力されるのを抑制することができる。従って、反力出力装置は、例えば、運転者がアクセルペダルの踏み込んだ際に、アクセルペダルの踏み心地を向上させることができる。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、操作中に過剰に出力される反力を抑制することができる反力出力装置を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、図面を参照し、本発明の反力出力装置の実施形態について説明する。一実施形態における反力出力装置は、例えば、車両の加速を指示するために設けられたアクセルペダル等の操作子に対し、踏み込む力(踏力)とは逆向きの力(反力)を出力する装置である。反力出力装置を使用することにより、アクセルフィーリングを向上させたり、燃費を節約したアクセルワークを促すよう伝達したり、種々の安全制御を行ったりすることができる。安全制御としては、カーブの手前や市街地、スクールゾーン等において、過剰な加速を抑制するために、比較的大きい反力を出力する制御が挙げられる。また、単に基準を超えた急なアクセルペダルの操作がなされた場合には、誤操作と判断して大きい反力を出力する制御が行われてもよい。また、本実施形態における反力の出力対象である操作子は、アクセルペダルに限定されず、ブレーキペダル、ステアリングホイール、或いはゲーム機の操作デバイス等であってもよい。
【0015】
図1は、一実施形態に係る反力出力装置10を備えるアクセルペダル装置1の外観構成の一例を示す図である。
アクセルペダル装置1は、運転席の足元前方に設置されるペダル本体ユニット2と、ペダル本体ユニット2の上方に設置される反力出力装置10と、を備えている。
【0016】
ペダル本体ユニット2は、車体に取り付けられる保持ベース2aと、保持ベース2aに設けられた支軸2bに基端が回動可能に支持されるペダルアーム4と、ペダルアーム4の先端部に設けられ、運転者によって踏力を付与されるペダル本体部6とを備え、保持ベース2aには、ペダルアーム4を初期位置に常時付勢する図示しないリターンスプリングが設けられている。
【0017】
ペダルアーム4には、ペダルアーム4の操作量(回動角度)に応じて内燃機関(エンジン)の図示しないスロットルバルブの開度を操作するための図示しないケーブルが接続されている。ただし、内燃機関が電子制御スロットルを採用する場合には、ペダル本体ユニット2にペダルアーム4の回動角度を検出するための回転センサを設け、その回転センサの検出信号を基にしてスロットルバルブの開度を制御するようにしてもよい。また、ペダルアーム4の基端の近傍部には、ペダルアーム4の延出方向とほぼ相反する方向に延出する反力伝達レバー8が一体に連結されている。
【0018】
また、反力出力装置10の駆動部材である出力レバー12の先端部と反力伝達レバー8の先端部とは、当接可能となっている。反力出力装置10の駆動部材である出力レバー12の回動力は、反力伝達レバー8を介してペダルアーム4に出力される。このように反力出力装置10は、踏力の方向とは逆方向の反力を操作子に出力する。
【0019】
図2は、一実施形態に係る反力出力装置10の内部構造の一例を示す図である。
図2では、ハウジング部材14の上面のカバーを取り去り、ハウジング部材14(反力出力装置10)の内部状態を示している。本実施形態における反力出力装置10は、反力を作り出すための駆動源であるモータ20と、ハウジング部材14に回動可能に軸支される反力出力軸16と、ギア減速機構30と、回路基板50とを備えている。ギア減速機構30は、モータ20の回転子の回転を減速しモータ20側から出力するトルクTを増大させ、モータの回転軸22方向から反力出力軸16方向へと偏向して増大させたトルクTを出力レバー12に伝達する。反力出力軸方向の一端部は、ハウジング部材14の側面から外側に突出し、その突出した端部に出力レバー12が一体に連結されている。
【0020】
モータ20の回転子の回転は、回路基板50に実装された制御回路によって制御される。回路基板50には、後述する上位ECU(Electronic Control Unit)と制御回路とで信号を送受信するための図示しないCAN(Controller Area Network)ケーブルが接続されている。また、回路基板50とモータ20とは図示しないケーブルを介して接続されており、回路基板50から送られる制御信号に基づいて、モータ20の回転子の回転が制御される。また、モータ20の回転子を覆う筐体には小孔やスリット等が設けられ、小孔やスリット等にはホールIC(Integrated Circuit)が嵌込設置されている。ホールICは、小孔やスリット等を透過する磁束強度を検出し、検出した磁束強度に応じたパルス状の電圧を出力する。ホールICによって検出される磁束強度は、モータ20内の回転子の回転に応じて変化する。このため、反力出力装置10は、ホールICの出力電圧に基づいて回転子の回転量を検出することができる。反力出力装置10は、例えば、ホールICにより検出される磁束強度が閾値を超えるタイミングの間隔に基づき、回転数nを算出する。
【0021】
図3は、一実施形態に係る反力出力装置10の制御回路を中心とした機能構成の一例を示す図である。
図3において、反力出力装置10は、モータ20と、上位ECUとの間でCAN通信を行うCAN制御回路54と、マイクロコントローラ(マイコン)56と、モータドライバIC58と、パワーFET(Field Effect Transistor)60と、ホールIC64U、64V、64Wと、ホールIC64と、電流検出センサ66とを備える。なお、以下において、ホールIC64U、64V、64Wを特に区別しない場合、総称してホールIC64と記載する。
【0022】
上位ECU70は、例えば、ペダルアーム4の操作量に応じてスロットルバルブの開度等を制御することで、エンジン72の駆動制御を行う。エンジン72は、出力軸であるクランクシャフトが車軸に連結され、車両の走行駆動力を出力する。なお、走行駆動部としては、エンジン72に走行用モータを加えた構成であってもよいし、エンジン72を備えず走行用モータのみにより走行駆動力を出力する構成であってもよい。
【0023】
マイコン56は、CAN制御回路54を介して上位ECU70とCAN通信を行う。マイコン56は、「制御部」の一例である。マイコン56は、反力出力装置10が作り出す反力の大きさの基準となる反力設定値Pを、上位ECU70から受信する。反力設定値Pとは、「入力値」の一例であり、例えば、反力出力装置10が搭載される車両の所定位置(例えばフロントバンパー)から、当該車両の前方に位置する車両までの距離(以下、「車両間隔」と称する)に応じて、上位ECU70により決められる。車両間隔は、例えば、フロントバンパーに設置されたイメージセンサや音波センサ等によって取得される。上位ECUは、例えば、車両間隔が基準値よりも短い場合、大きい反力を出力させるような反力設定値Pをマイコン56に送信する。また、上位ECU70は、反力出力装置10が搭載される車両の速度に応じて、反力設定値Pを決めてもよい。
【0024】
マイコン56は、反力設定値Pに基づいて、モータドライバIC58に与える制御量として電流指令値Iを決定する。この際、マイコン56は、例えば、電流指令値Iと反力設定値Pとの関係を示した関係式に基づき、電流指令値Iを決定する。電流指令値Iは、例えば、モータ20へ通電させる電流の電流値(例えば単位は[A])として表される。マイコン56は、この電流値に対応したPWM信号を生成し、生成したPWM信号をモータドライバIC58に与える。PWM信号は、例えば、所定の電圧値(振幅値)、デューティ比(パルス幅)、周波数(位相)等の情報を含む。モータドライバIC58は、マイコン56により与えられたPWM信号に基づいて、パワーFET60へ通電させる電流に対しPWM制御を行い、モータ20を回転させる。マイコン56は、電流指令値Iを制御目標値とし、この制御目標値に対して、例えばPI制御(Proportional−Integral Controller)を行う。
【0025】
パワーFET60は、U相、V相、W相のそれぞれのパワーFET60U、60V、60Wを備え、各パワーFETは、モータ20の対応する相のコイルにそれぞれ接続されている。モータドライバIC58は、各相のパワーFETを循環的にオン/オフすることで各相のコイルに磁界を発生させ、モータ20の回転子を回転させる。
【0026】
マイコン56には、モータ20へ通電される電流を検出するための電流検出センサ66と、モータドライバIC58とが接続されている。マイコン56は、電流検出センサ66により検出された電流を示す信号を受信する。モータドライバIC58の入力端には、マイコン56に加え、3つのホールIC64U、64V、64Wが接続されており、モータドライバIC58は、ホールIC64U、64V、64W各々が出力する電圧の変化を受け付ける。モータドライバIC58は、ホールIC64U、64V、64Wからの入力に基づいて、モータ20の回転数nを示す信号をマイコン56に出力する。これによって、マイコン56は、モータ20の回転数nを検出する。マイコン56は、検出したモータ20の回転数nに基づき、モータドライバIC58に与える電流指令値Iを決定する。
【0027】
反力出力装置10が反力を出力している際に、運転者によって踏力が付与された場合、すなわち、モータ20が反力の出力方向とは逆方向に回転した場合、モータ20内部では、逆起電流が発生する場合がある。この逆起電流は、特に、反力出力装置10により出力される反力よりも大きい踏力が付与された場合、或いは大きい反力を出力している際に踏力が付与された場合等において、大きい電流として発生する傾向がある。この結果、本実施形態における反力出力装置10では、モータ20内部で発生した逆起電流によって、本来の想定される反力よりも大きい反力が出力される場合があった。
【0028】
そのため、本実施形態における反力出力装置10は、モータ20内部で発生する逆起電流を考慮し、この逆起電流分の電流量を削減するように、電流指令値Iと対応したデューティ比を、モータ20の回転数nに基づいた値に変更する。
【0029】
図4は、デューティ比を変更する処理のタイミングの一例を示す図である。
マイコン56は、上記逆起電流の発生条件として、反力の出力方向とは逆方向に回転した際のモータ20の回転数nが閾値Th以上であるか否かを判定し、このモータ20の回転数nが閾値Th以上である場合に、モータ20の回転数nに基づいて電流指令値IをモータドライバIC58に与える。すなわち、マイコン56は、モータ20の回転数nが閾値Th以上である場合に、モータ20の回転数nに基づいたデューティ比のPWM信号をモータドライバIC58に与える。以下、反力の出力方向とは逆方向に回転した際のモータ20の回転数nを、単に「モータ20の回転数n」と記載して説明する。
【0030】
閾値Thは、例えば、反力を出力しているモータ20に対して踏力が付与された際に、モータ20内部で逆起電流が顕著に発生するか否かの境界となる回転数nの値に設定される。なお、本実施形態において、モータ20の回転数nの値に設定される閾値Thは、1つとしたがこれに限られず、例えば複数の回転数nに設定されてもよい。また、閾値Thは、誤差等を考慮してある程度の幅を有していてもよい。
【0031】
マイコン56は、例えば、モータ20の回転数nが閾値Th以上の期間である、時刻t1〜t2の期間と、時刻t3〜t4の期間とにデューティ比の変更処理を行う。マイコン56は、この2つの期間において、モータ20の回転数nと参照テーブルとに基づいて、PWM信号のデューティ比を変更し、変更したデューティ比を有するPWM信号をモータドライバIC58に与える。参照テーブルとは、PWM信号のデューティ比と、モータ20の回転数nとの対応関係を示す情報である。
【0032】
図5は、参照テーブルの一例を示す図である。
参照テーブルは、例えば、反力設定値Pに基づき設定される複数の電流指令値I(電流値)に対応してそれぞれテーブルが設定される。各電流指令値Iに対応した参照テーブルには、PWM信号のデューティ比とモータ20の回転数nとが対応付けられている。各参照テーブルは、反力設定値Pに基づいたデューティ比(例えば50%)を基準に、所定の変更範囲(例えば10〜50%)においてモータ20の回転数nが対応付けられ設定される。この所定の変更範囲は、デューティ比の低下による電流の減少量と、モータ20内部で発生する逆起電流の電流量との関係から設定される。所定の変更範囲は、例えば、予め実験やシミュレーション等により導出された逆起電流の最大電流量が1Aであった場合、この1Aの電流量を減少できるように設定される。
【0033】
また、マイコン56は、参照テーブルに基づいてデューティ比を変更する代わりに、PWM信号のデューティ比と、モータ20の回転数nとの対応関係を示す関係式に基づいて、電流指令値Iに設定されるデューティ比を導出し変更してもよい。
【0034】
図6は、PWM信号のデューティ比と、モータ20の回転数nとの対応関係を示す関係式を導出する様子を示す図である。
マイコン56は、
図6に示すような関係を実現する関係式を用いて、PWM信号のデューティ比を導出する。関係式は、例えば、予め逆起電力による影響が感じさせないようにPWM信号のデューティ比を決めて行われた実験において、計測されたモータ20の回転数nと、モータドライバIC58に与えられたPWM信号のデューティ比との関係を示すデータに対して最小二乗法等の統計処理を行うことにより、PWM信号のデューティ比を示す最適な近似曲線LN1(例えば一次関数)として導出される。例えば、近似曲線LN1がLN1=a×n+bのような数式の場合、数式と、回転数nの係数aと、外乱等の影響を考慮した定数項bとを図示しない記憶装置等に予め記憶させておく。マイコン56は、デューティ比の変更処理中に取得されたモータ20の回転数nと、記憶装置に記憶された係数a、定数項bおよび数式に基づいてデューティ比を導出し、PWM信号のデューティ比を、導出した当該デューティ比に変更する。
【0035】
図7は、一実施形態に係る反力出力装置10の制御回路により実行される処理の流れを示すフローチャートである。本フローチャートの処理は、例えば、所定周期で繰り返し実行される。
【0036】
まず、マイコン56は、上位ECUから反力設定値Pを受信したか否か判定する(ステップS100)。反力出力装置10は、上位ECUから反力設定値Pを受信しなかった場合(ステップS100:No)、本フローチャートの1ルーチンを終了する。
【0037】
マイコン56は、上位ECUから反力設定値Pを受信した場合(ステップS100:Yes)、反力設定値Pに基づいた電流指令値Iを決定する(ステップS102)。次に、マイコン56は、電流指令値Iに基づいてPWM信号を生成する(ステップS104)。次に、マイコン56は、生成したPWM信号をモータドライバIC58に与えて、パワーFET60へ通電させる電流に対しPWM制御を行い、モータ20を回転させる(ステップS106)。
【0038】
次に、マイコン56は、モータ20の回転数nが閾値Th以上か否かを判定する(ステップS108)。反力出力装置10は、モータ20の回転数nが閾値Th以下の場合(ステップS108:No)、本フローチャートの1ルーチンを終了する。マイコン56は、モータ20の回転数nが閾値Th以上の場合(ステップS108:Yes)、モータ20の回転数nに基づいてPWM信号のデューティ比を変更する(ステップS110)。次に、マイコン56は、デューティ比を変更したPWM信号をモータドライバIC58に与えて、パワーFET60へ通電させる電流に対しPWM制御を行い、モータ20を回転させる(ステップS112)。これによって、反力出力装置10は、本フローチャートの1ルーチンを終了する。
【0039】
以上のように、本実施形態に係る反力出力装置10によれば、モータ20の回転数nが閾値Thを超えない場合、反力設定値Pに基づいたデューティ比でモータ20への通電を制御し、モータ20の回転数nが閾値Thを超える場合、モータ20の回転数nに応じたデューティ比でモータ20への通電を制御する。これによって、反力出力装置10は、モータ20内部で発生する逆起電流分の反力の一部または全部を相殺するようにモータ20に通電することができる。この結果、反力出力装置10は、操作中に過剰に反力が出力されるのを抑制することができる。
【0040】
また、本実施形態に係る反力出力装置10は、モータ20に通電させる際の制御量が小さくなるため、より応答性の良い制御を行うことができる。
【0041】
以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。