人とくるまのテクノロジー展 2017:電動パワーステアリング(EPS)技術の進歩

自動運転に向けた協調制御とフェールオペレーションの開発動向

2017/06/02

要約

人とくるまのテクノロジー展2017 会場全体の様子

 2017年5月に開催された「人とくるまのテクノロジー展2017 横浜 (公益社団法人 自動車技術会主催)」では、大手サプライヤーが自動運転支援システムの総合展示を行っていた。車両を構成する様々なシステムを協調制御する内容が示されている。

 自動運転システムの開発が加速する中、電動パワーステアリング(EPS)は不可欠な構成デバイスの1つとして、さらなる安全機能の向上が求められている。操舵力をアシストするだけだった従来のパワーステアリングから、ステアリングの操舵角度を制御する機能、さらには操舵の結果として車両挙動を制御する機能が付加されることになり、制御の精度、信頼性、失陥時の対応など、従来と違う機能も求められるようになっている。

 車線逸脱防止支援システム(LDW/LKA)などの先進運転支援システム(ADAS)においては、ステアリングシステムと駆動システム、ブレーキシステム等との協調制御が重要となり、ステアリング操作を機械式制御から電子制御に置き換えるステアバイワイヤ(Steer-by-Wire)の導入も進んでいる。一方で、高度なADAS/自動運転が進むと、システムの電気的な断線、エラー、故障だけで制御やアシストが利かなくなるため、従来よりもシステム故障時の影響が大きくなる。EPSで危険回避時に電気的なエラーが起きると、甚大な被害が発生する恐れがある。

 こうした制御システムの高性能・複雑化に伴う故障や誤作動に対応するため、フェールオペレーション(fail-safe operation)が導入され始めている。EPSは、ECUとモーターをステアリング機構に組み込んだ機電一体型の制御システムを搭載しているが、ECUやモーターをそれぞれ2系統に増やす冗長設計にすることで、1系統の電子回路に異常が発生した場合でも、もう1系統が作動して、走行を維持したり、車両を安全に停止させることができる。

 今回の展示会では、Boschデンソーがフェールオペレーション対応のEPSを展示して、2系統のECUとモーターを持つシステムの構造と、その安全機能について、パネルやデモ機で紹介していた。日本精工も、モーター、ECU、トルクセンサーを冗長設計したEPSを出展。NTNは日産Skylineのステアバイワイヤシステムに採用されている次世代ステアリング用のメカニカルクラッチユニット(MCU)のデモ機を置いていた。ジェイテクトはステアバイワイヤシステムのADAS対応ロードマップを提示して、冗長性強化と電源バックアップを掲げ、大型車へのEPS搭載を支援する補助電源システムを披露した。ショーワは自社製品であるパワーステアリングとサスペンションの協調制御を展示していた。

 文中の略語:

  • EPS: Electric Power Steering 電動パワーステアリング
  • ADAS: Advanced Driver Assistance System 先進運転支援システム
  • LDW: Lane Departure Warning 車線逸脱警報
  • LKA: Lane Keeping Assist 車線維持支援
  • ECU: Electronic Control Unit 電子制御ユニット

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Bosch:高度自動運転に向けたEPSシステムのフェールオぺレーショナル対応

 Boschは乗用車用EPSシステム「Servolectric」を展示。油圧ステアリングと比較して、エネルギー消費量を90%低減するほか、ABS、ESCなど電動の車両安定システムとの相互連動が可能という利点をあげている。Servolectricの製品ラインナップは、コラムタイプ、デュアルピニオンタイプ、ラック軸並行タイプの3タイプがあり、大型乗用車を含むすべての乗用車に搭載が可能。

  • ABS: Antilock Brake System アンチロックブレーキシステム
  • ESC: Electronic Stability Control 横滑り防止装置



コラムタイプEPS ラック軸並行タイプEPS
コラムタイプEPS ラック軸並行タイプEPS
乗用車用EPSシステム「Servolectric」 乗用車用EPSシステム「Servolectric」
乗用車用EPSシステム「Servolectric」



 また、高度な自動運転 (HAD: highly automated driving) に向けたフェールオぺレーショナル対応のステアリングシステムを紹介。冗長設計(プライマリ/セカンダリの2系統を持つ)のECUとモーターを採用するパワーパックを搭載し、1系統に異常が発生した場合、もう1系統が作動することで、様々な走行状況に応じて、車両を安全に停止することができる事例を示している。



完全な冗長設計のパワーパック 冗長設計のECUと電気モーター
完全な冗長設計のパワーパック 冗長設計のECUと電気モーター
フェールオぺレーショナル対応のステアリングシステム フェールセーフESPによって安全に停止する事例
フェールオぺレーショナル対応のステアリングシステム フェールセーフEPSによって安全に停止する事例


デンソー:フェールオペレーション対応の2系統EPS

 デンソーはフェールオペレーション対応の2系統EPSを展示。万一、電子回路に問題が発生しても、残りの1系統でアシスト力を供給して走行を維持することができる安全システム。トヨタPriusから搭載が開始され、Alphard、C-HR、Lexusの複数モデルに搭載されている。

 同社ブースでは、従来のEPSと2系統EPSの性能の違いを比較することができるデモ機が置かれ、従来EPSでアシスト力が途切れてしまった場合の走行状況と、2系統EPSによって走行時の危険を回避することができる状況を体験することができた。



2系統EPS 2系統EPSの体験デモ
2系統EPS 2系統EPSの体験デモ
2系統EPS展示パネル  1つのモーターで電子回路とモーター巻線を2系統持つ。通常走行時は2系統でアシスト力を供給。片側1系統に問題が発生した場合、残りの1系統でアシストを継続し、スムーズな走行を維持することができる。
 将来はマイコンの2系統化、電源・通信の2系統対応を実現した、完全2系統EPSを開発し、自動運転(Level 3相当を想定)にも対応していく。
2系統EPS


ジェイテクト:大型車へのEPS搭載を支援、ADAS対応ステアバイワイヤ

 ジェイテクトはEPSシステムをフルラインナップで展示していた。大型車向けのラックパラレルタイプEPS(RP-EPS)は2016年末に花園工場(愛知県岡崎市)で生産開始。海外の生産拠点にも展開し、グローバル供給体制を構築する。RP-EPSのラックバーに並列するモーターと減速機ハウジングは世界最小クラス。同社はすでにC~Eセグメント車向けのラックダイレクト(同軸)タイプEPS(RD-EPS)を供給しているが、RP-EPSの追加により、SUVやピックアップトラックを含む大型車両まで適用範囲が拡大する。



ステアリング製品のフルラインナップ ステアリング製品のフルラインナップ
ラックパラレルタイプEPS(RP-EPS)展示パネル デュアルピニオンタイプEPS(DP-EPS)展示パネル
ステアリング製品のフルラインナップ ステアリング製品のフルラインナップ
コラムタイプEPS(C-EPS)展示パネル ステアリング製品のフルラインナップ



 同社はまた、大型車へのEPS搭載を支援するシステムや、ADAS対応に向けたステアバイワイヤ(SBW)システムの開発ロードマップをパネルで解説。EPSと駆動システムが協調して動く様子が見られるスケルトンカーも大いに注目を集めていた。



EPS用補助電源システム展示パネル  大型車へのEPS搭載を支援する12V系電力アシストシステム。高耐熱リチウムイオンキャパシタをECUに一体化することで、システム出力を12V(720W)から18V(1,040W)に引き上げる。1,000WあればEPSを改造することなく、SUVやピックアップトラックを含むほぼすべての車両のEPS化が可能としている。
 電源失陥時にはアシストを継続するバックアップシステムとしても機能する。
2系統EPS
ADAS対応ステアリングシステム展示パネル  油圧式パワーステアリング(HPS)システムを搭載している大型車向けに、ADAS対応ステアリングシステムを開発。HPSシステムにコラムタイプEPS(C-EPS)の量産技術を組み合わせ、油圧システムで高出力に対応しつつ、追加するアクチュエータでADAS Level 2以上の機能を達成する。

 ステアバイワイヤ(SBW)システムのADAS対応ロードマップ
 (Level 2) 現行製品
 (Level 3~4) 開発品/次世代(2020年頃):
  冗長性強化として、冗長設計モーター/ECU、反力トルクアクチュエータを搭載
 (Level 4~5) 将来品/次々世代(2025年頃):
  電源バックアップとともに、反力トルクアクチュエータ、ステアリングアクチュエータを搭載

動くスケルトンカー  EPSやハブベアリング、駆動製品(TORSENやITCC)などの各機構が協調して動く様子を見ることができる。
  • TORSEN: 歯車式差動制御装置
  • ITCC: 電子制御4WDカップリングシステム
動くスケルトンカー


ショーワ:ステアリング・サスペンション協調制御

 ショーワはEPSと電子制御式ダンパーの両方を手がける強みを活かし、「ステアリング・サスペンション協調制御」を展示。すでに量産を開始しているDPA-EPSとIECASを組み合わせ、将来の自動運転実用化を見据えた協調制御開発に取り組んでいる。また、関連技術として、減衰力の応答性をさらに進化させた改良型SFRDや薄肉鋳造ハウジングも展示していた。

  • DPA-EPS: Dual Pinion Assist - Electric Power Steering
  • IECAS: Intelligent Electronic Control Adaptive Suspension
  • SFRD: Sensitive Frequency Response DamperSuspension



DPA-EPS IECASと改良型SFRD
DPA-EPS(第1世代) IECASと改良型SFRD
第2世代DPA-EPS展示パネル  第1世代DPA-EPSは2015年からホンダモデル (Civic Type R、北米Civic、Clarity Fuel Cell、CR-V) に採用されている。
 第2世代DPA-EPSは2020年以降に商品化する計画。ステアリングフィールの向上、高出力化、業界最軽量をターゲットに開発。また、ADAS/自動運転に対応した冗長システム(トルクセンサーや機電一体モーターの冗長化)の導入を目指す。
薄肉鋳造ハウジング  トポロジー最適化設計と内製の薄肉鋳造技術の融合により、従来比でマイナス2.0mm、20%軽量化を達成。 薄肉鋳造ハウジング


日本精工:ボールねじ式ラックタイプEPS、モーター/ECU/トルクセンサーを冗長設計

 日本精工はボールねじ式ラックタイプEPSを展示。EPSの構成部品であるモーター、ECU、トルクセンサーをそれぞれ冗長設計とすることで、1重故障ではアシストを止めないシステムを実現。さらに、舵角比を任意に変更できる舵角重畳機構により、通常走行時の操舵性能、および緊急時の安全性を大幅に向上させることが期待できる。また、EPS用に最適化したボールねじにより、小型、軽量、低コスト化とともに、良好な操舵フィーリングと低作動音を実現するとしている。



ボールねじ式ラックタイプEPS ボールねじ式ラックタイプEPS
ボールねじ式ラックタイプEPS



 同社は近年、EPSの開発、拡販を進めており、これまでの展示会では、走行中の危険回避操作を自動的にアシストする機能(セーフティステアリング機構)や、アシスト力を変化させてハンドル戻り軌跡を調整する機能(アクティブオンセンタリング制御)などの安全システムを紹介。また、独自のアルミ成形加工技術によってギアボックスを薄肉化した世界最軽量のコラムタイプEPSなどを発表していた。



NTN:次世代ステアリング用メカニカルクラッチユニット(MCU)

 NTNは、日産Skylineのステアバイワイヤシステム「Direct Adaptive Steering」に採用されている次世代ステアリング用のメカニカルクラッチユニット(MCU)を展示。



次世代ステアリング用メカニカルクラッチユニット 次世代ステアリング用メカニカルクラッチユニット
次世代ステアリング用メカニカルクラッチユニット



 ステアバイワイヤでは、通電時(通常運転時)はステアリングホイールとステアリングシャフトをクラッチと切り離しており、電気信号の伝達に何らかの不具合が発生した場合にステアリング操作が行えなくなってしまう。MCUはこうした場合のバックアップ用クラッチとして採用され、電源遮断時には自動的にクラッチを切り替えて機械的な接続を確保し、最低限のステアリング操作を行えるようにする。



自動運転支援システムの展示:EPSを含む協調制御

 自動運転システムや安全システムにおいて、EPSは重要な構成要素の1つとなっている。今回の展示会では、大手サプライヤーのブースで、EPSを含む複数の関連システムを組み合わせた協調制御の様子を示す展示が多く見られた。



アイシングループ

 アイシングループは自動運転支援システムの総合展示として、アクティブリアステアリング、電子制御ブレーキシステム、高機能ESCモジュレーター(横滑り防止装置)などの車両運動統合制御を行う製品を並べるとともに、ドライバーモニターシステム、周辺監視システムなどのセンシング技術を紹介していた。

自動運転支援システム アクティブリアステアリングシステム
自動運転支援システム アクティブリアステアリングシステム



日立オートモティブシステムズ

 日立オートモティブシステムズは、高度な自動走行を実現するカメラ、レーダーなどを用いた360度センシング技術、安全制御技術などの協調制御システムを実車大の展示台で紹介。車両統合制御ユニットがEPSシステムやサスペンション、ブレーキシステムなどの構成部品を協調させている様子を見ることができる。

自動運転システム EPSシステム
自動運転システム EPSシステム



ZF

 ZFのブースでは、デュアルピニオンEPSとともに、アクティブキネマティックスコントロール (AKC)、統合ブレーキ(IBC)、ブレーキキャリパーが並べて展示されていた。ZFは電子連動制御ユニットを用いて、ZFのAKCアクティブ制御後輪操舵システムを、ZF TRWのデュアルピニオンEPSに連携させ、テストカーで実証を行っている。この組み合わせは、今後実用化される自動運転技術にも活用される。

システム デュアルピニオンEPS
「自動運転 / See-Think-Act」の展示(部分) デュアルピニオンEPS

 未来の車に向けたZFのテーマ「See-Think-Act」の製品ポートフォリオ:

  • See: Radar systems, Tri-Cam multi-lens camera, S-Cam4 mono camera
  • Think: Safety Domain ECU (SDE)
  • Act: Integrated braking system, Electromechanical steering, Active rear-axle steering

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キーワード

自動運転、ADAS、EPS、協調制御、安全、ステアバイワイヤ、Bosch、ボッシュ、デンソー、ジェイテクト、ショーワ、日本精工、NSK、NTN

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