JP6413166B2 - 反力出力装置 - Google Patents

Description

本発明は、反力出力装置に関する。

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）。

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。

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。

特開２０００−２９５８８６号公報 特開平６−７０５８６号公報 特開２０１０−１１１３７９号公報

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。

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。

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。

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。

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。

一実施形態に係る反力出力装置１０を備え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。 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。 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。 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。 参照テーブルの一例を示す図である。 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。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

１‥アクセルペダル装置、２…ペダル本体ユニット、６…ペダル本体部、１０…反力出力装置、２０…モータ、３０…ギア減速機構、５０…回路基板、５６…マイコン、５８…モータドライバＩＣ、７０…上位ＥＣＵ、７２…エンジン

Claims (1)

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、
   を備える反力出力装置。

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