JP3775978B2 - 電気式パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォークリフト等に搭載される電気式パワーステアリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
フォークリフトにおいて、走行中にハンドルを切ってステアリング（操舵）を行ない、その後ハンドルの手を緩めた場合、車両が自動的に直進状態に戻るようにすることが安全上要求される。このため、図６に示すように、タイヤ２０をキングピン角φを有するキングピン２１に可動的に支持することにより、ステアリング後にタイヤ２０が自動的に直進状態に戻るようにした機構が従来から採用されている。なお、２２はアクスル、２３はロッド、２４はセンターアームピンである。
【０００３】
一方、フォークリフトでは、ハンドルの操作と連動してステアリングモータを駆動し、このモータの力によってハンドルによる操舵を補助する電気式パワーステアリング装置を搭載したものが多くなっている。特開平８−２５３１５８号公報や特開平５−１８５９３６号公報には、フォークリフトに搭載される電気式パワーステアリング装置が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、電気式パワーステアリング装置を備えたフォークリフトの場合、ステアリングモータは一般に小型のモータであることから、ギヤ比が大きく設定されている。このため、図６のようなキングピン２１が設けられていても、ステアリングモータのギヤ比が大きいために、操舵後にステアリングモータを回転させるだけの力が発生せず、ステアリングモータが摩擦障害となってタイヤが直進状態に復帰できないとう問題が生じる。
【０００５】
この場合、もしステアリングモータが回転できれば、キングピンの作用によってタイヤを直進状態に復帰させることができる。しかしながら、従来の装置では、ハンドルの操作角と操舵輪のステアリング角とのずれ量を検出するＥＰＳ（Electric Power Steering）センサの検出値と、ステアリングモータに与えられるモータ電圧との関係は図７のようになっている。これからわかるように、ＥＰＳセンサの検出値が０である付近において、オフセットδに起因してモータ電圧が出力されない不感帯Ｘが存在するため、ステアリング後にＥＰＳセンサの検出値がほぼ０となった時点では、ステアリングモータを駆動する力を得ることは不可能である。
【０００６】
このように、従来の装置においては、キングピンが設けられていても、ステアリングモータが回転できないために、ステアリング後に車両が自動的に直進状態に戻らないという不具合があった。
【０００７】
本発明は、上記の問題点を解決するものであって、キングピンの有無にかかわらず、ステアリングを行なった後に車両を自動的に直進状態に復帰させることができる電気式パワーステアリング装置を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、図７のように不感帯を固定するのではなく、不感帯がシフトするようにする。すなわち、本発明に係る電気式パワーステアリング装置は、車両の走行速度と操舵輪のステアリング角とに基づいて、不感帯の中心位置をシフトさせ、このシフトによってセンサの検出値が０となる付近において、操舵輪を元に戻すためのモータ電圧が出力されるようにしたものである（請求項１）。
【０００９】
このようにすることで、ステアリングが終了してセンサの検出値がほぼ０となったときに、モータ電圧が出力されてステアリングモータが回転し、この回転によって操舵輪に復帰力が与えられるので、車両の走行状態を自動的に直進状態に戻すことができる。
【００１０】
上記不感帯の中心位置のシフトは、車両の走行速度と操舵輪のステアリング角との積に基づいて一定範囲内でリニアにシフトさせることができる（請求項２）。シフト範囲を限定することによって、操舵輪を戻す力が大きくなりすぎるのを抑制し、安全を確保できる。また、センサの検出値がシフト後の不感帯の範囲外にあるときは所定の演算式によりステアリングモータの電圧が算出され、センサの検出値がシフト後の不感帯の範囲内にあるときはステアリングモータの電圧は０に設定される（請求項３）。車両の走行速度は速度センサにより検出し、操舵輪のステアリング角は角度センサによって検出することが可能である（請求項４）。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る電気式パワーステアリング装置の構成図であって、フォークリフトに搭載される装置の例を示している。１は装置全体の制御を行なう制御部であって、ＣＰＵ、メモリ（ＲＯＭおよびＲＡＭ）、入出力ポート、電圧出力回路等を含むコントローラから構成される。２は操舵輪８のステアリング角を検出するための角度センサ、３は車両の走行速度を検出するための速度センサ、４はハンドル６の操作角と操舵輪８のステアリング角とのずれ量を検出するＥＰＳ（Electric Power Steering）センサで、これらの各センサ２〜４の検出値は制御部１に入力される。
【００１２】
５は制御部１からの電圧出力によって駆動されるステアリングモータ（以下、ＥＰＳモータという）で、たとえばＤＣモータからなり、ハンドル６の操作と連動して操舵輪８の操舵を補助するものである。６は運転者によって操作されるハンドル、７は操舵輪８を操舵するギヤ等を含むステアリング機構、８はフォークリフトの後部に設けられた操舵輪（ステアリングタイヤ）である。なお、図１では、制御部１の入出力に接続される要素として、本発明に関係する要素のみを図示してある。
【００１３】
図２および図３は、本発明の原理を説明する図であって、図２は図７で示した不感帯Ｘの中心位置をシフトさせるための関数を表した図、図３はＥＰＳセンサ４の検出値Ｅｐｓとモータ電圧（ＥＰＳモータ５に与えられる入力電圧）Ｖとの関係を表した図である。
【００１４】
図２において、横軸には車両の走行速度Ｓｐｄの絶対値と操舵輪８のステアリング角Ａｎｇとの積をとり、縦軸にはＥＰＳセンサ４の不感帯の中心位置Ｃｎｔをとっている。図のように、この関数１０は、｜Ｓｐｄ｜×Ａｎｇの値が一定範囲Ｙにある間は、中心位置Ｃｎｔがリニアに変化し、Ｙの範囲外では、中心位置Ｃｎｔが一定値Ｋ１（＞０），Ｋ２（＜０）となるような関数となっている。なお、Ｋ１とＫ２の絶対値は等しくなるように選定されている。
【００１５】
速度センサ３が検出した車両の走行速度Ｓｐｄと、角度センサ２が検出した操舵輪８のステアリング角Ａｎｇとが制御部１に入力されると、制御部１は関数１０に従って、｜Ｓｐｄ｜×Ａｎｇの値から、ＥＰＳセンサ４の不感帯の中心位置Ｃｎｔを求める。そして、求めた中心位置Ｃｎｔに基づいて、モータ電圧の関数を図３のように設定する。
【００１６】
図３において、実線１１は図７に示した関数と同じものであり、ＥＰＳセンサ４の不感帯の中心が０位置にある場合の、ＥＰＳセンサ検出値Ｅｐｓとモータ電圧Ｖの関係を表している。また、１２および１３は、図２の関数１０に従って不感帯Ｘの中心位置Ｃｎｔが０位置からシフトした場合のＥＰＳセンサ検出値Ｅｐｓとモータ電圧Ｖの関係を表しており、１２は中心位置Ｃｎｔが正方向（右方向）にシフトした場合、１３は中心位置Ｃｎｔが負方向（左方向）にシフトした場合のＥｐｓとＶの関係を表している。δは図７で示したオフセット、Ａｏはモータ電圧Ｖが一定値Ｖｏとなる場合のＥＰＳセンサ検出値（最大ポイント値）、Ｂｏはモータ電圧Ｖが一定値−Ｖｏとなる場合のＥＰＳセンサ検出値（最小ポイント値）である。
【００１７】
いま、走行中にハンドル６を操作してステアリングを行なうと、制御部１は速度センサ３が検出した走行速度Ｓｐｄと、角度センサ２が検出したステアリング角Ａｎｇとを読み取り、｜Ｓｐｄ｜×Ａｎｇの値を計算する。この計算結果が正の値である場合（Ａｎｇ＞０）は、図２から分かるように、不感帯の中心位置Ｃｎｔは正の値となり、制御部１は、図３の一点鎖線１２のように、ＥＰＳセンサ４の不感帯Ｘの中心位置Ｃｎｔを正方向にシフトさせる。このシフト量は、走行速度Ｓｐｄとステアリング角Ａｎｇの値が大きいほど大きくなる。
【００１８】
不感帯Ｘの中心位置Ｃｎｔが正方向にシフトすることによって、Ｅｐｓ＝０の付近においてモータ電圧が出力され、Ｅｐｓ＝０のときには−Ｖεの電圧が制御部１から出力される。ステアリングを行なった後にハンドル６の手を緩めた時点では、ハンドル６の操作角と操舵輪８のステアリング角とはほとんど一致しているので、ＥＰＳセンサ４の検出値Ｅｐｓはほぼ０となり、上記のように−Ｖεの電圧によってＥＰＳモータ５が回転する。この電圧は、ステアリング時にＥＰＳモータ５に印加されていた電圧Ｖ（０＜Ｖ≦Ｖｏ）とは極性が逆であるから、ＥＰＳモータ５はステアリング時とは反対方向に回転し、これによりステアリング機構７を介して、操舵輪８は元へ戻ろうとする力を受ける。その結果、車両は自動的に直進状態に復帰する。このとき、操舵輪８が元に戻る力はステアリング機構７を介してハンドル６に伝達されるので、ハンドル６も操舵輪８に追従して中立位置に戻る。
【００１９】
一方、｜Ｓｐｄ｜×Ａｎｇの値が負の値である場合（Ａｎｇ＜０）も、上記と同様にして、制御部１は、図３の破線１３のように、不感帯の中心位置Ｃｎｔを負方向にシフトさせる。中心位置Ｃｎｔが負方向にシフトすることによって、Ｅｐｓ＝０の付近においてモータ電圧が出力され、Ｅｐｓ＝０のときにはＶεの電圧が制御部１から出力される。この電圧は、ステアリング時にＥＰＳモータ５に印加されていた電圧Ｖ（０＞Ｖ≧−Ｖｏ）とは極性が逆であるから、ＥＰＳモータ５はステアリング時とは反対方向に回転し、これによりステアリング機構７を介して、操舵輪８は元へ戻ろうとする力を受ける。その結果、車両は自動的に直進状態に復帰する。この場合も、ハンドル６は操舵輪８に追従して中立位置に戻る。
【００２０】
このようにして、不感帯の中心位置Ｃｎｔを正方向・負方向にシフトさせることによって、いずれの方向にステアリングを行なった場合でも、ＥＰＳモータ５の回転により操舵輪８を直進状態に戻すことができる。ここで、従来のようなキングピンが備わっている場合であっても、ＥＰＳモータ５が回転することから、モータ部分での抵抗がなくなり、キングピンの作用によって操舵輪８は直進状態に戻ることが可能となる。また、キングピンが備わっていなくても、上述したＥＰＳモータ５の作用により操舵輪８は直進状態に戻るので、ＥＰＳ装置さえ備わっておれば、キングピンの有無に関係なく、車両を自動的に直進状態に復帰させることが可能である。
【００２１】
なお、図２では、車両の走行速度Ｓｐｄと操舵輪８のステアリング角Ａｎｇとの積に応じて、不感帯の中心位置Ｃｎｔをシフトさせているので、車両が走行していなければ（Ｓｐｄ＝０）、ステアリング角Ａｎｇがいくらあっても、中心位置Ｃｎｔのシフトは行なわれず、したがって操舵輪８は直進状態に戻らない。また、車両が走行していても、ステアリングがされなければ（Ａｎｇ＝０）、中心位置Ｃｎｔのシフトは行なわれず、操舵輪８を直進状態に戻す力は働かない。すなわち、車両が走行していて、かつステアリングが行なわれた場合にのみ、ＥＰＳモータ５によって操舵輪８を直進状態に戻す力が働くことになる。
【００２２】
また、不感帯の中心位置Ｃｎｔのシフト量があまり大きくなると、Ｖεの値が増大するため、操舵輪８を戻す力が働きすぎて危険であるが、図２においては、中心位置Ｃｎｔのシフト量が一定値（Ｋ１，Ｋ２）を超えないように制限しているので、ＥＰＳモータ５によって操舵輪８が過大な復帰力を受けることはなく、安全を確保できる。
【００２３】
図５は、以上のような電気式パワーステアリング装置の動作を示したフローチャートであり、制御部１によって実行される手順を表している。以下、これに基づいて動作の詳細を説明する。
【００２４】
制御部１は、角度センサ２が検出した操舵輪８のステアリング角Ａｎｇを読み取り（ステップＳ１）、速度センサ３が検出した車両の走行速度Ｓｐｄを読み取り（ステップＳ２）、さらにＥＰＳセンサ４が検出したハンドル角とステアリング角とのずれ量Ｅｐｓを読み取る（ステップＳ３）。次に、読み取った走行速度Ｓｐｄおよびステアリング角Ａｎｇの値に基づいて、ＥＰＳセンサ４の不感帯の中心位置Ｃｎｔを次式により演算する（ステップＳ４）。
Ｃｎｔ＝Ｇ・｜Ｓｐｄ｜・Ａｎｇ
ここで、Ｇは図２の関数１０のリニア部分（Ｙの範囲）における直線の傾きである。
【００２５】
続いて、制御部１は算出した中心位置Ｃｎｔの値と、図２のＫ１の値とを比較する（ステップＳ５）。比較の結果、Ｃｎｔ＞Ｋ１であれば（ステップＳ５；ＹＥＳ）、Ｋ１の値を中心位置Ｃｎｔの値として設定する（ステップＳ６）。また、Ｃｎｔ＞Ｋ１でなければ（ステップＳ５；ＮＯ）、次にＣｎｔとＫ２とを比較する（ステップＳ７）。比較の結果、Ｃｎｔ＜Ｋ２であれば（ステップＳ７；ＹＥＳ）、Ｋ２の値を中心位置Ｃｎｔの値として設定する（ステップＳ８）。また、Ｃｎｔ＜Ｋ２でなければ（ステップＳ７；ＮＯ）、ステップＳ９に進む。
【００２６】
ステップＳ９では、ステップＳ３で読み取ったＥｐｓの値が、ＥＰＳセンサ４の不感帯Ｘよりも正方向側にあるか否かを判定する。すなわち、図３において、Ｅｐｓ＞Ｃｎｔ＋δであれば（ステップＳ９；ＹＥＳ）、Ｅｐｓは不感帯Ｘの範囲内にはなく、これよりも正方向側（右側）にあるので、ＥＰＳモータ５を駆動するためのモータ電圧Ｖを次式によって計算する（ステップＳ１０）。
【式１】

【００２７】
上記の式（１）は、次のようにして導出される。図４は、関数１２のみを表した図３の部分図である。図４において、あるＥｐｓの値に対するモータ電圧の値をＶとしたとき、三角形ＰＱＲと三角形ＰＳＴとは相似であるから、
ＰＱ：ＲＱ＝ＰＳ：ＴＳ
の関係が成立する。これより、
ＲＱ＝ＴＳ・ＰＱ／ＰＳ
ここで、
ＲＱ＝Ｖ
ＴＳ＝Ｖｏ
ＰＱ＝Ｅｐｓ−（Ｃｎｔ＋δ）
ＰＳ＝Ａｏ−（Ｃｎｔ＋δ）
であるから、これらを上式に代入すれば式（１）が得られる。なお、ここでは関数１２に基づいて式（１）を導出したが、関数１３に基づいても式（１）と同じ結果が得られる。
【００２８】
次に、ステップＳ９においてＥｐｓ＞Ｃｎｔ＋δでなければ（ステップＳ９；ＮＯ）、続いてステップＳ１１において、Ｅｐｓの値が不感帯Ｘよりも負方向側にあるか否かを判定する。すなわち、図３において、Ｅｐｓ＜Ｃｎｔ−δであれば（ステップＳ１１；ＹＥＳ）、Ｅｐｓは不感帯Ｘの範囲内にはなく、これよりも負方向側（左側）にあるので、ＥＰＳモータ５を駆動するためのモータ電圧Ｖを次式によって計算する（ステップＳ１２）。
【式２】

この式（２）も、式（１）と同様の原理に従って、幾何学的に算出することができる。
【００２９】
また、ステップＳ１１において、Ｅｐｓ＜Ｃｎｔ−δでなければ（ステップＳ１１；ＮＯ）、Ｅｐｓの値は不感帯Ｘの範囲内にあることになり、この場合は、モータ電圧Ｖを出力しないので、Ｖ＝０に設定する（ステップＳ１３）。こうして、Ｅｐｓの値に応じてモータ電圧Ｖの値を求めた後、制御部１はモータ電圧ＶをＥＰＳモータ５へ出力し（ステップＳ１４）、以後ステップＳ１〜Ｓ１４の動作を反復する。
【００３０】
このように、上記の例では、制御部１によるソフトウエア処理によって、不感帯Ｘの中心位置Ｃｎｔをシフトさせ、ステアリング後にＥＰＳモータ５が駆動されるようにしているので、新たなハードウエアや機構部品を付加する必要がなく、従来と同じ構成で制御部１のソフトウエアだけを変更することで、車両を自動的に直進状態に戻す機能が実現される。
【００３１】
なお、図５の処理においては、不感帯Ｘの中心位置Ｃｎｔを計算により求めたが（ステップＳ４〜Ｓ８）、図２の関数１０をあらかじめ制御部１のメモリにテーブルとして記憶しておき、走行速度とステアリング角の積の値に対応する中心位置Ｃｎｔの値を、テーブルを参照することにより求めてもよい。
【００３２】
また、以上の実施形態ではフォークリフトに搭載される装置を例に挙げたが、本発明はフォークリフト以外の各種車両に搭載される電気式パワーステアリング装置にも適用することが可能である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、センサの不感帯の中心位置をシフトさせることで、ステアリングが終了したときにモータ電圧が出力され、モータの回転によって操舵輪が元に戻るので、車両の走行状態を自動的に直進状態に復帰させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電気式パワーステアリング装置の構成図である。
【図２】不感帯の中心位置をシフトさせるための関数を示した図である。
【図３】本発明におけるＥＰＳセンサの検出値とモータ電圧との関係を示した図である。
【図４】モータ電圧の値を算出する原理を示した図である。
【図５】本発明に係る電気式パワーステアリング装置の動作を示したフローチャートである。
【図６】キングピンを用いた従来の機構の正面図である。
【図７】従来例におけるＥＰＳセンサの検出値とモータ電圧との関係を示した図である。
【符号の説明】
１ 制御部
２ 角度センサ
３ 速度センサ
４ ＥＰＳセンサ
５ ＥＰＳモータ（ステアリングモータ）
６ ハンドル
７ ステアリング機構
８ 操舵輪
Ｖ モータ電圧
Ｘ 不感帯
Ｃｎｔ 中心位置
Ｓｐｄ 走行速度
Ａｎｇ ステアリング角
Ｅｐｓ ＥＰＳセンサ検出値

Claims (4)

1. ハンドルの操作と連動して操舵輪を操舵するステアリングモータと、ハンドルの操作角と操舵輪のステアリング角とのずれ量を検出するセンサと、このセンサの検出値に基づいてステアリングモータのモータ電圧を制御する制御部とを備え、前記センサの検出値の一定範囲においてモータ電圧が出力されない不感帯を有する電気式パワーステアリング装置であって、
   前記制御部は、車両の走行速度と操舵輪のステアリング角とに基づいて前記不感帯の中心位置をシフトさせ、このシフトによって、センサの検出値が０となる付近において、操舵輪を元に戻すためのモータ電圧が出力されるようにしたことを特徴とする電気式パワーステアリング装置。
2. 前記制御部は、車両の走行速度と操舵輪のステアリング角との積に基づいて不感帯の中心位置を一定範囲内でリニアにシフトさせる、請求項１に記載の電気式パワーステアリング装置。
3. 前記制御部は、センサの検出値がシフト後の不感帯の範囲外にあるときに所定の演算式によりモータ電圧を算出し、センサの検出値がシフト後の不感帯の範囲内にあるときはモータ電圧を０に設定する、請求項１に記載の電気式パワーステアリング装置。
4. 車両の走行速度を検出する速度センサと、操舵輪のステアリング角を検出する角度センサとを設けた、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の電気式パワーステアリング装置。

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