JP5272712B2 - Vehicle steering system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vehicular steering apparatus capable of approximating a steering reaction characteristic to the steering reaction characteristic of a conventional steering apparatus. <P>SOLUTION: The vehicular steering apparatus includes: a first steering angle calculation unit 19a for calculating a first steering angle by adding a value multiplying a torsion angle by a first coefficient to a reaction motor rotation angle; a second steering angle calculation unit 20a for calculating a second steering angle by adding a value multiplying the torsion angle by a second coefficient larger than the first coefficient to the reaction motor rotation angle; a turning control unit 19 for controlling a turning motor based on the first steering angle; and a reaction control unit 20 for controlling a reaction motor 5 based on the second steering angle. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、ハンドルと操向輪を転舵する舵取り機構とを機械的に分離した、いわゆるステア・バイ・ワイヤ方式の車両用操舵装置に関する。   The present invention relates to a so-called steer-by-wire vehicle steering apparatus in which a steering wheel and a steering mechanism that steers steering wheels are mechanically separated.

特許文献１には、ステア・バイ・ワイヤシステムにおいて、ハンドルの操舵角に基づいて前輪の目標転舵角を算出し、実際の転舵角が算出した目標転舵角と一致するように転舵モータを制御すると共に、算出した目標転舵角に基づいて反力モータを制御している。
特開２００４−３１４８９１号公報 In Patent Literature 1, in a steer-by-wire system, the target turning angle of the front wheels is calculated based on the steering angle of the steering wheel, and the actual turning angle is matched with the calculated target turning angle. While controlling the motor, the reaction force motor is controlled based on the calculated target turning angle.
JP 2004-314891 A

しかしながら、上記従来技術にあっては、ドライバのハンドル操作に対する操舵反力の応答が、転舵角同様、ドライバのハンドル操作に対する目標転舵角の応答で決まるため、転舵応答で決まる車両挙動（転舵角）の応答性よりも操舵反力の応答性が高いコンベンショナルな操舵装置（ハンドルと舵取り機構とが機械的に連結された操舵装置）に対して操舵反力特性に差異が生じ、ドライバに違和感を与える。   However, in the above prior art, since the response of the steering reaction force to the driver's steering operation is determined by the response of the target turning angle to the driver's steering operation as well as the steering angle, the vehicle behavior ( The steering reaction force characteristic is different from that of a conventional steering device (a steering device in which a steering wheel and a steering mechanism are mechanically coupled) having a higher response of the steering reaction force than the response of the steering angle). Give a sense of incongruity.

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、操舵反力特性をコンベンショナルな操舵装置の操舵反力特性に近づけることができる車両用操舵装置を提供することにある。   The present invention has been made paying attention to the above problems, and an object of the present invention is to provide a vehicle steering apparatus capable of bringing the steering reaction force characteristic close to the steering reaction force characteristic of a conventional steering apparatus. is there.

上述の目的を達成するため、本発明では、反力モータ回転角度とトーションバーの捩れ角とに基づいて第一操舵角を算出し、第一操舵角に基づいて転舵モータの出力トルクを制御すると共に、反力モータ回転角度とトーションバーの捩れ角とに基づいて第一操舵角よりも大きな第二操舵角を算出し、第二操舵角基づいて反力モータの出力トルクを制御する。
In order to achieve the above object, in the present invention, the first steering angle is calculated based on the reaction motor rotation angle and the torsion bar torsion angle, and the output torque of the steered motor is controlled based on the first steering angle. both the you that, than the first steering angle based on the torsion angle of the reaction motor rotation angle and the torsion bar to calculate a large second steering angle, and controls the output torque of the reaction force motor on the basis of the second steering angle .

よって、本発明では、反力用操舵角速度が転舵用操舵角速度よりも大きくなるため、操舵反力の応答が転舵角の応答に対して早くなる（すなわち操舵反力の位相は転舵角の位相よりも進む）。このため、操舵反力の応答性が車両挙動の応答性よりも高められ、操舵反力特性をコンベンショナルな操舵装置の操舵反力特性に近づけることができる。   Therefore, in the present invention, since the reaction force steering angular velocity is larger than the steering steering angular velocity, the response of the steering reaction force is faster than the response of the steering angle (that is, the phase of the steering reaction force is the steering angle). Is more advanced than the phase). For this reason, the responsiveness of the steering reaction force is higher than the responsiveness of the vehicle behavior, and the steering reaction force characteristic can be brought close to the steering reaction force characteristic of the conventional steering device.

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づく実施例により説明する。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.

まず、構成を説明する。
図１は、実施例１の車両用操舵装置を適用したステア・バイ・ワイヤシステムの全体構成図であり、実施例１の車両用操舵装置は、ハンドル１と前輪（操向輪）２，２を転舵する舵取り機構３とが機械的に切り離された、いわゆる、ステア・バイ・ワイヤ（SBW）システムである。 First, the configuration will be described.
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a steer-by-wire system to which a vehicle steering apparatus according to a first embodiment is applied. The vehicle steering apparatus according to the first embodiment includes a handle 1 and front wheels (steering wheels) 2 and 2. This is a so-called steer-by-wire (SBW) system in which the steering mechanism 3 that steers the vehicle is mechanically separated.

ハンドル１を支持するコラムシャフト４には、ハンドル１に操舵反力を付与する反力モータ５と、コラムシャフト４の回転角を検出する回転角センサ６と、コラムシャフト４の捩れ角から操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ７と、反力モータ５の回転角度を検出する反力モータ角度センサ８とが設けられている。なお、前記操舵トルクセンサ7はコラムシャフト４に設けられたトーションバーの捩れ角を検出し、検出した捩れ角に基づいてトルクを検出するセンサである。   The column shaft 4 that supports the handle 1 has a reaction force motor 5 that applies a steering reaction force to the handle 1, a rotation angle sensor 6 that detects the rotation angle of the column shaft 4, and a steering torque based on the twist angle of the column shaft 4. A steering torque sensor 7 for detecting the reaction force and a reaction force motor angle sensor 8 for detecting the rotation angle of the reaction force motor 5 are provided. The steering torque sensor 7 is a sensor that detects a torsion angle of a torsion bar provided on the column shaft 4 and detects torque based on the detected torsion angle.

舵取り機構３には、ピニオンギア１３ａ，１３ｂに対しそれぞれ前輪２，２を転舵する転舵トルクを付与する第１，第２転舵モータ９ａ，９ｂと、前輪２，２の直進状態からの回転角である転舵角として第１，第２転舵モータ９ａ，９ｂの回転角度を検出する第１，第２転舵モータ角度センサ１０ａ，１０ｂと、前輪２，２の横力として前輪２，２からラック１１の軸方向に入力する力を検出する第１，第２タイヤ横力センサ１２ａ，１２ｂとが設けられている。なお、第１転舵モータ９ａはピニオンギア１3aとラック１１を介して、第２転舵モータ９ｂはピニオンギア１３ｂとラック１１を介して前輪２，２と機械的に接続されているため、第１，第２転舵モータ９ａ，９ｂの回転角度を検出することで前輪２，２の転舵角を検出することができる。   The steering mechanism 3 includes first and second steering motors 9a and 9b for applying a steering torque for turning the front wheels 2 and 2 to the pinion gears 13a and 13b, respectively. First and second steered motor angle sensors 10a and 10b that detect the rotational angles of the first and second steered motors 9a and 9b as steered angles that are rotational angles, and the front wheels 2 as lateral forces of the front wheels 2 and 2 , 2 are provided with first and second tire lateral force sensors 12a, 12b for detecting a force input in the axial direction of the rack 11. The first steering motor 9a is mechanically connected to the front wheels 2 and 2 via the pinion gear 13a and the rack 11 and the second steering motor 9b is mechanically connected to the front wheels 2 and 2 via the rack 11; 1, the turning angle of the front wheels 2 and 2 can be detected by detecting the rotation angle of the second turning motors 9a and 9b.

反力モータ５と第１，第２転舵モータ９ａ，９ｂは、第１，第２，第３コントローラ１４，１５，１６により制御される。
第２コントローラ１５には、回転角センサ６からのコラムシャフト回転角と、操舵トルクセンサ７からの操舵トルクと、反力モータ角度センサ８からの反力モータ角度と、第１，第２タイヤ横力センサ１２ａ，１２ｂからのタイヤ横力とが入力される。また、第２コントローラ１５には、図外のCAN通信線を介して車輪速等の車両情報が入力される。 The reaction motor 5 and the first and second steering motors 9a and 9b are controlled by the first, second and third controllers 14, 15 and 16, respectively.
The second controller 15 includes a column shaft rotation angle from the rotation angle sensor 6, a steering torque from the steering torque sensor 7, a reaction force motor angle from the reaction force motor angle sensor 8, and the first and second tire sideways. The tire lateral force from the force sensors 12a and 12b is input. In addition, vehicle information such as wheel speed is input to the second controller 15 via a CAN communication line (not shown).

第２コントローラ１５は、反力モータ角度センサ８からの反力モータ角度、CAN通信線からの車速に基づいて前輪２，２の目標転舵角を生成し、第１，第３コントローラ１４，１６へ送る。第１コントローラ１４は、第２コントローラ１５から送られた目標転舵角と第１転舵モータ角度センサ１０ａにより検出される前輪２，２の実際の転舵角との偏差を無くす指令電流を第１転舵モータ９ａへ出力し、転舵角を制御する。第３コントローラ１６は、第２コントローラ１５から送られた目標転舵角と第２転舵モータ角度センサ１０ｂにより検出される前輪２，２の実際の転舵角との偏差を無くす指令電流を第２転舵モータ９ｂへ出力し、転舵角を制御する。   The second controller 15 generates a target turning angle of the front wheels 2 and 2 based on the reaction force motor angle from the reaction force motor angle sensor 8 and the vehicle speed from the CAN communication line, and the first and third controllers 14 and 16. Send to. The first controller 14 generates a command current that eliminates the deviation between the target turning angle sent from the second controller 15 and the actual turning angle of the front wheels 2 and 2 detected by the first turning motor angle sensor 10a. 1 Output to the steered motor 9a to control the steered angle. The third controller 16 outputs a command current that eliminates the deviation between the target turning angle sent from the second controller 15 and the actual turning angle of the front wheels 2 and 2 detected by the second turning motor angle sensor 10b. 2 Outputs to the steered motor 9b and controls the steered angle.

また、第２コントローラ１５は、反力モータ角度センサ８からの反力モータ角度、第１，第２タイヤ横力センサ１２ａ，１２ｂからのタイヤ横力、第１，第２転舵モータ９ａ，９ｂの電流値およびCAN通信線からの車速に基づいてハンドル１に付与する目標操舵反力を生成し、目標操舵反力に基づいた目標電流と反力モータ５に供給されている電流を検出する電流センサ（不図示）で検出された実電流との偏差が0となるように指令電流を算出し、算出した指令電流を反力モータ５へ出力し、操舵反力を制御する。   The second controller 15 also includes a reaction force motor angle from the reaction force motor angle sensor 8, a tire lateral force from the first and second tire lateral force sensors 12a and 12b, and first and second turning motors 9a and 9b. A target steering reaction force applied to the steering wheel 1 is generated based on the current value of the vehicle and the vehicle speed from the CAN communication line, and a current for detecting the target current based on the target steering reaction force and the current supplied to the reaction force motor 5 is detected. The command current is calculated so that the deviation from the actual current detected by a sensor (not shown) becomes zero, and the calculated command current is output to the reaction force motor 5 to control the steering reaction force.

第１，第２，第３コントローラ１４，１５，１６は、バッテリ１７から電源が供給される。また、第１，第２，第３コントローラ１４，１５，１６は、通信線１８を介して互いに入出力情報を共有しており、第２コントローラ１５に故障が発生した場合であっても、残りの第１，第３コントローラ１４，１６の一方で目標転舵角および目標操舵反力を生成し、２つの第１，第３コントローラ１４，１６で第１，第２転舵モータ９ａ，９ｂおよび反力モータ５の制御を継続可能である。   The first, second, and third controllers 14, 15, and 16 are supplied with power from the battery 17. The first, second, and third controllers 14, 15, and 16 share input / output information with each other via the communication line 18, and even if a failure occurs in the second controller 15, the remaining The first and third controllers 14 and 16 generate the target turning angle and the target steering reaction force, and the first and second steering motors 9a and 9b and the two first and third controllers 14 and 16 Control of the reaction force motor 5 can be continued.

第２コントローラ１５は、第１，第２転舵モータ９ａ，９ｂの両方に故障が発生した場合、または反力モータ５に故障が発生した場合には、バックアップクラッチ等によりコラムシャフト４とピニオンシャフト１３とを機械的に連結し、ドライバによるマニュアル操舵を可能とする。
なお、第２コントローラ１５は、イグニッションオン時、回転角センサ６により検出されたコラムシャフト回転角に基づき、コラムシャフト４の回転角度をニュートラル位置（転舵角ゼロに対応する位置）に合わせる。 When a failure occurs in both the first and second turning motors 9a and 9b, or when a failure occurs in the reaction force motor 5, the second controller 15 uses a backup clutch or the like to connect the column shaft 4 and the pinion shaft. 13 is mechanically connected to enable manual steering by the driver.
The second controller 15 adjusts the rotation angle of the column shaft 4 to a neutral position (a position corresponding to a turning angle of zero) based on the column shaft rotation angle detected by the rotation angle sensor 6 when the ignition is on.

図２は、実施例１の転舵制御および反力制御の制御ブロック図である。
以下、説明の簡単のため、個々を別々に説明する必要がある場合を除き、第１，第２転舵モータ９ａ，９ｂを転舵モータ９、第１，第２転舵モータ角度センサ１０ａ，１０ｂを転舵モータ角度センサ１０、第１，第２，第３コントローラ１４，１５，１６をコントローラ１５という。 FIG. 2 is a control block diagram of steering control and reaction force control according to the first embodiment.
Hereinafter, for the sake of simplicity, the first and second steered motors 9a and 9b are referred to as the steered motor 9 and the first and second steered motor angle sensors 10a, unless it is necessary to explain each separately. 10b is referred to as the steering motor angle sensor 10, and the first, second, and third controllers 14, 15, and 16 are referred to as the controller 15.

コントローラ１５は、転舵制御部（転舵制御手段）１９と反力制御部（反力制御手段）２０とを備える。
転舵制御部１９は、第一操舵角算出部（第一操舵角算出手段）１９ａと、目標転舵角生成部１９ｂと、モータ駆動部１９ｃとを有する。 The controller 15 includes a turning control unit (steering control unit) 19 and a reaction force control unit (reaction force control unit) 20.
The turning control unit 19 includes a first steering angle calculation unit (first steering angle calculation means) 19a, a target turning angle generation unit 19b, and a motor drive unit 19c.

第一操舵角算出部１９ａは、反力モータ角度センサ８からの反力モータ角度と、操舵トルクセンサ７に設けられているトーションバーの捩れ角とに基づいて、第一操舵角（後術する目標転舵角算出用の操舵角）を下記の式を用いて算出する。
第一操舵角＝反力モータ角度＋K1×捩れ角
なお、K1は、係数（第１係数）であり、実施例１では、K1=0.5としている。 The first steering angle calculation unit 19a is configured to perform a first steering angle (after-operation) based on the reaction force motor angle from the reaction force motor angle sensor 8 and the torsion angle of the torsion bar provided in the steering torque sensor 7. The steering angle for calculating the target turning angle is calculated using the following formula.
First steering angle = reaction force motor angle + K1 × twist angle K1 is a coefficient (first coefficient), and in the first embodiment, K1 = 0.5.

また、通常、トルクセンサはトーションバーの捩れ角をトルクに変換する事によってトルクを検出している。従って、トーションバーの捩れ角を直接検出する事もできるし、若しくは捩れ角を変換したトルクとトーションバーの捩り特性とから、下記の関係式を用いて算出する事もできる。いずれにしても、操舵トルクセンサ７は直接、若しくは間接的にトーションバーの捩れを検出する捩れ角検出手段である。
トーションバー捩れ角＝操舵トルク／トルクセンサバネ定数
ここで、トルクセンサバネ定数は、トーションバーの固有値であって、あらかじめ実験等により判明している。 In general, the torque sensor detects torque by converting the torsion angle of the torsion bar into torque. Therefore, the torsion angle of the torsion bar can be directly detected, or can be calculated from the torque converted from the torsion angle and the torsion characteristic of the torsion bar using the following relational expression. In any case, the steering torque sensor 7 is a torsion angle detecting means for detecting torsion of the torsion bar directly or indirectly.
Torsion bar torsion angle = steering torque / torque sensor spring constant Here, the torque sensor spring constant is an eigenvalue of the torsion bar and has been previously determined by experiments or the like.

目標転舵角生成部１９ｂは、可変ギア比マップに基づく定常ステア制御量と、微分ステアマップに基づく微分ステア制御量とを加算して目標転舵角を生成する。
まず、定常ステア制御量は、第一操舵角算出部１９ａにより推定された操舵角から可変ギア比マップを参照して算出する。 The target turning angle generator 19b adds the steady steering control amount based on the variable gear ratio map and the differential steering control amount based on the differential steering map to generate a target turning angle.
First, the steady steering control amount is calculated with reference to the variable gear ratio map from the steering angle estimated by the first steering angle calculation unit 19a.

可変ギア比マップにおいて、定常ステア制御量は、入力した第一操舵角にあらかじめ定められたステアリングギア比（転舵角に対する操舵角の比であり、所定の比）を乗算して算出される。なお、可変ギア比マップには、あらかじめ第一操舵角に対応した定常ステア制御量をマップとして記憶しておき、マップを参照して入力した第一操舵角に対応する定常ステア制御量を算出しても良い。この可変ギア比マップにおけるステアリングギア比は車速に応じて例えば、低車速域ではステアリングギア比を小さくして（転舵角に対する操舵角を小さくして）旋回性能を高め、高車速域ではステアリングギア比を大きくして（転舵角に対する操舵角を大きくして）走行安定性を高めるようにしても良い。   In the variable gear ratio map, the steady steering control amount is calculated by multiplying the input first steering angle by a predetermined steering gear ratio (the ratio of the steering angle to the turning angle, which is a predetermined ratio). In the variable gear ratio map, the steady steering control amount corresponding to the first steering angle is stored in advance as a map, and the steady steering control amount corresponding to the first steering angle input with reference to the map is calculated. May be. The steering gear ratio in this variable gear ratio map depends on the vehicle speed. For example, the steering gear ratio is reduced (lower the steering angle relative to the turning angle) in the low vehicle speed range, and the turning performance is improved. The driving stability may be improved by increasing the ratio (increasing the steering angle relative to the turning angle).

次に、操舵角を時間微分して操舵角速度（第一操舵角速度）を算出し、操舵角速度から微分ステアマップを参照して第一微分ステア制御量を算出する。ここで、第一微分ステア制御量は、操舵角速度と所定の微分ゲインとを乗算した値となるように微分ステアマップが設定される。すなわち微分ステアマップとは、操舵角速度に対してあらかじめ定められた所定の微分ゲインを乗算した値である微分ステア制御量を出力するマップである。従って、微分ステアマップにはあらかじめ操舵角速度に対応する微分ステア制御量をマップとして記憶しておき、入力した操舵角速度に対してマップを参照して微分ステア制御量を算出しても良い。なお、微分ステア制御量は、あるリミット値により上限を設定している。また、微分ゲインはあらかじめ実験やシミュレーションによって求められた正のゲインである。
モータ駆動部１９ｃは、目標転舵角生成部１９ｂにより生成された目標転舵角と実際の転舵角（実転舵角）との偏差に基づいた指令電流を算出し、算出した指令電流に基づいて転舵モータ９へ供給する電流を制御する事によって、目標転舵角と実際の転舵角（実転舵角）が一致するように転舵モータ９を制御する。 Next, the steering angle is time-differentiated to calculate a steering angular velocity (first steering angular velocity), and a first differential steering control amount is calculated from the steering angular velocity with reference to a differential steer map. Here, the differential steer map is set so that the first differential steer control amount is a value obtained by multiplying the steering angular velocity by a predetermined differential gain. That is, the differential steer map is a map that outputs a differential steer control amount that is a value obtained by multiplying the steering angular velocity by a predetermined differential gain that is determined in advance. Therefore, the differential steer control amount corresponding to the steering angular velocity may be stored in advance as a map in the differential steer map, and the differential steer control amount may be calculated with reference to the map for the input steering angular velocity. The differential steer control amount has an upper limit set by a certain limit value. The differential gain is a positive gain obtained in advance through experiments and simulations.
The motor drive unit 19c calculates a command current based on a deviation between the target turning angle generated by the target turning angle generation unit 19b and the actual turning angle (actual turning angle), and calculates the calculated command current. Based on the current supplied to the steered motor 9, the steered motor 9 is controlled so that the target steered angle matches the actual steered angle (actual steered angle).

反力制御部２０は、第二操舵角算出部（第二操舵角算出手段）２０ａと、仮想目標転舵角生成部２０ｂと、目標反力生成部２０ｃと、モータ駆動部２０ｄとを有する。
第二操舵角算出部２０ａは、第一操舵角算出部１９ａと同様に、反力モータ角度センサ８からの反力モータ角度と、操舵トルクセンサ７からの操舵トルクから算出したトーションバーの捩れ角とに基づいて、第二操舵角（後述する仮想目標転舵角算出用の操舵角を算出する。
第二操舵角＝反力モータ角度＋K2×捩れ角
として求める。
なお、K2は、係数K1よりも大きな係数（第２係数）であり、実施例１では、K1=0.8としている。 The reaction force control unit 20 includes a second steering angle calculation unit (second steering angle calculation means) 20a, a virtual target turning angle generation unit 20b, a target reaction force generation unit 20c, and a motor drive unit 20d.
Similar to the first steering angle calculation unit 19 a, the second steering angle calculation unit 20 a is a torsion bar twist angle calculated from the reaction force motor angle from the reaction force motor angle sensor 8 and the steering torque from the steering torque sensor 7. Based on the above, a second steering angle (a steering angle for calculating a virtual target turning angle to be described later is calculated.
Obtained as second steering angle = reaction motor angle + K2 × twist angle.
K2 is a coefficient (second coefficient) larger than the coefficient K1, and in the first embodiment, K1 = 0.8.

仮想目標転舵角生成部２０ｂは、目標転舵角生成部１９ｂと同一の方法により、可変ギア比マップに基づく定常ステア制御量と、微分ステアマップに基づく微分ステア制御量とを加算して仮想目標転舵角を生成する。すなわち、第二操舵角と可変ギア比マップに基づいて定常ステア制御量を算出し、第二操舵角を微分して求めた第二操舵角速度に所定の微分ゲインを乗算して微分ステア制御量を算出する。仮想目標転舵角生成部２０ｂの可変ギア比マップおよび微分ステアマップは、目標転舵角生成部１９ｂと同一のものを用いている。   The virtual target turning angle generation unit 20b adds the steady steering control amount based on the variable gear ratio map and the differential steering control amount based on the differential steer map by the same method as the target turning angle generation unit 19b. A target turning angle is generated. That is, the steady steering control amount is calculated based on the second steering angle and the variable gear ratio map, and the differential steering control amount is obtained by multiplying the second steering angular velocity obtained by differentiating the second steering angle by a predetermined differential gain. calculate. The variable gear ratio map and differential steer map of the virtual target turning angle generator 20b are the same as those of the target turning angle generator 19b.

目標反力生成部２０ｃは、仮想目標転舵角生成部２０ｂにより生成された仮想目標転舵角に基づき、車速、タイヤ横力および転舵モータ電流（第１，第２転舵モータ９ａ，９ｂの電流値）を参照して目標操舵反力を生成する。   The target reaction force generation unit 20c is based on the virtual target turning angle generated by the virtual target turning angle generation unit 20b, and the vehicle speed, the tire lateral force, and the turning motor current (first and second turning motors 9a and 9b). ) To generate a target steering reaction force.

実施例１では、操舵角をθ、操舵角θの１階微分値である操舵角速度をdθ/dt、操舵角θの２階微分値である操舵角加速度をd2θ/dt2としたとき、目標操舵反力Thを、下記の式(1)を参照して算出する。
Th=Ih*d2θ/dt2 + Ch*dθ/dt + Kh*θ + Th*(δ*-δ) + Fh*CF + Lh*AP …(1)
Ihは慣性係数、Chはダンピング係数、Khはバネ性係数、Thはフィードバック係数、Fhはタイヤ横力係数、CFは第１，第２タイヤ横力センサ１２ａ，１２ｂから検出されたタイヤ横力、Lhは転舵軸力係数、APは転舵モータ電流より換算した転舵軸力である。 In the first embodiment, when the steering angle is θ, the steering angular velocity that is the first derivative of the steering angle θ is dθ / dt, and the steering angular acceleration that is the second derivative of the steering angle θ is d 2 θ / dt 2. The target steering reaction force Th is calculated with reference to the following equation (1).
Th = Ih * d 2 θ / dt 2 + Ch * dθ / dt + Kh * θ + Th * (δ * -δ) + Fh * CF + Lh * AP… (1)
Ih is an inertia coefficient, Ch is a damping coefficient, Kh is a spring coefficient, Th is a feedback coefficient, Fh is a tire lateral force coefficient, CF is a tire lateral force detected from the first and second tire lateral force sensors 12a and 12b, Lh is the turning axial force coefficient, and AP is the turning axial force converted from the turning motor current.

ここで、右辺第一項は、操舵角加速度に応じて発生する操舵反力の慣性成分を模擬する慣性項である。第二項は、操舵角速度に応じて発生する操舵反力の粘性成分を模擬するダンピング項である。第三項は、ハンドル１の回転角度に応じて発生する操舵反力のバネ成分を模擬するバネ項（剛性項）である。第四項は、目標転舵角と実転舵角との偏差に応じて発生する操舵反力のフィードバック成分を模擬するフィードバック項である。第五項は、タイヤ横力に応じて発生する操舵反力のタイヤ横力成分を模擬するタイヤ横力項である。第六項は、セルフアライニングトルクに応じて発生する操舵反力のセルフアライニングトルク成分を模擬するセルフアライニングトルク項である。   Here, the first term on the right side is an inertia term that simulates the inertia component of the steering reaction force generated according to the steering angular acceleration. The second term is a damping term that simulates the viscous component of the steering reaction force generated according to the steering angular velocity. The third term is a spring term (rigidity term) that simulates the spring component of the steering reaction force generated according to the rotation angle of the handle 1. The fourth term is a feedback term that simulates a feedback component of the steering reaction force generated according to the deviation between the target turning angle and the actual turning angle. The fifth term is a tire lateral force term that simulates the tire lateral force component of the steering reaction force generated according to the tire lateral force. The sixth term is a self-aligning torque term that simulates the self-aligning torque component of the steering reaction force generated according to the self-aligning torque.

上記式(1)において、反力特性（ハンドル操作に対する操舵反力を制御する反力特性）を決める各パラメータIh,Ch,kh,Th,Fh,Lhは、全て車速に依存する係数であり、車速が高くなるほどより大きな値となるように設定することで、高速走行時の走行安定性を確保する事ができる。なお、各パラメータIh,Ch,kh,Th,Fh,Lhは、あらかじめ実験やシミュレーション等によって車速に関連付けて記憶しておき、それぞれ車速に応じて決定する事によって実現する事ができる。
モータ駆動部２０ｄは、目標反力生成部２０ｃにより生成された目標操舵反力に基づいた電流を反力モータ５に供給する事により、モータ５が目標操舵反力に一致する操舵反力を出力する。。 In the above equation (1), the parameters Ih, Ch, kh, Th, Fh, Lh that determine the reaction force characteristics (reaction characteristics that control the steering reaction force with respect to the steering wheel operation) are all coefficients dependent on the vehicle speed. By setting so as to become a larger value as the vehicle speed becomes higher, traveling stability at high speed traveling can be ensured. The parameters Ih, Ch, kh, Th, Fh, and Lh can be realized by previously storing the parameters in association with the vehicle speed through experiments, simulations, or the like, and determining the parameters according to the vehicle speed.
The motor drive unit 20d supplies the reaction force motor 5 with a current based on the target steering reaction force generated by the target reaction force generation unit 20c, so that the motor 5 outputs a steering reaction force that matches the target steering reaction force. To do. .

次に、作用を説明する。
［操舵反力の応答性向上作用］
ハンドルと舵取り機構とがステアリングシャフトによって機械的に連結されたコンベンショナルな操舵装置では、ドライバの操舵入力に対して操舵反力が先に立ち上がり、遅れて転舵角が変化する。つまり、コンベンショナルな操舵装置では、操舵角の変化に対し転舵角の応答で決まる車両挙動の応答性よりも操舵反力の応答性が高い操舵反力特性を有する。 Next, the operation will be described.
[Steering reaction force response improvement]
In a conventional steering device in which a steering wheel and a steering mechanism are mechanically connected by a steering shaft, a steering reaction force rises first with respect to a driver's steering input, and the turning angle changes with a delay. In other words, the conventional steering device has a steering reaction force characteristic in which the response of the steering reaction force is higher than the response of the vehicle behavior determined by the response of the turning angle to the change of the steering angle.

よって、ハンドルと舵取り機構とが機械的に分離したSBWシステムでは、上記コンベンショナルな操舵装置に慣れたドライバが操舵した際、ドライバに対し操舵反力特性の違いによる違和感を与えないよう、操舵反力特性をコンベンショナルな操舵反力特性に近づけることが望ましい。また、一般的に、操舵反力の応答性は高い方がドライバに対するインフォメーションとしては好ましく、一方で転舵角の応答性は転舵角制御が振動的にならない程度の適度な応答性である事が好ましい。   Therefore, in the SBW system in which the steering wheel and the steering mechanism are mechanically separated, when the driver who is used to the conventional steering device steers, the steering reaction force is not given to the driver due to the difference in the steering reaction force characteristics. It is desirable to bring the characteristics closer to conventional steering reaction force characteristics. In general, the higher the response of the steering reaction force, the better the information for the driver. On the other hand, the response of the turning angle should be moderate enough that the turning angle control does not vibrate. Is preferred.

ところが、従来のSBWシステムでは、転舵制御の目標転舵角に基づいて反力制御の目標操舵反力を生成しているため、ドライバの操舵入力に対する操舵反力の応答が、転舵角同様、目標転舵角の応答で決まってしまう。このため、操舵反力の応答性を車両挙動（転舵角）の応答性よりも高くすることができず、ドライバに違和感を与えてしまう。
また、上述の様にドライバの操舵入力に対する操舵反力の応答が、転舵角同様、目標転舵角の応答で決まってしまうため、ドライバに対するインフォメーションをより向上させるために操舵反力の応答性を高くするために目標転舵角の応答を高くすると転舵角制御が振動的になり、操舵反力の応答性のチューニングが困難であった。 However, in the conventional SBW system, since the target steering reaction force of the reaction force control is generated based on the target turning angle of the turning control, the response of the steering reaction force to the steering input of the driver is the same as the turning angle. It will be decided by the response of the target turning angle. For this reason, the response of the steering reaction force cannot be made higher than the response of the vehicle behavior (steering angle), and the driver feels uncomfortable.
In addition, as described above, the response of the steering reaction force to the driver's steering input is determined by the response of the target turning angle as well as the turning angle. Therefore, the response of the steering reaction force is improved in order to improve information for the driver. When the response of the target turning angle is increased in order to increase the turning angle, the turning angle control becomes vibrational, and it is difficult to tune the response of the steering reaction force.

これに対し、実施例１の車両用操舵装置では、転舵制御に用いる目標転舵角と反力制御で用いる目標転舵角（仮想目標転舵角）とをそれぞれ別系統（目標転舵角生成部１９ｂ，仮想目標転舵角生成部２０ｂ）で生成し、反力制御側の第二操舵角算出部２０ａにおいて第二操舵角を算出するために用いる係数K2(=0.8)を、転舵制御側の第一操舵角算出部１９ａにおいて第一操舵角を算出するために用いる係数K1(=0.5)よりも大きな値とした。   On the other hand, in the vehicle steering system of the first embodiment, the target turning angle used for the turning control and the target turning angle (virtual target turning angle) used for the reaction force control are respectively different systems (target turning angles). The coefficient K2 (= 0.8) generated by the generation unit 19b and the virtual target turning angle generation unit 20b) and used for calculating the second steering angle by the second steering angle calculation unit 20a on the reaction force control side is steered. The value is larger than the coefficient K1 (= 0.5) used for calculating the first steering angle in the first steering angle calculation unit 19a on the control side.

このため、図３に示すように、仮想目標転舵角生成部２０ｂで生成される微分ステア制御量は、目標転舵角生成部１９ｂで生成される微分ステア制御量よりも大きくなる。つまり、操舵反力の位相を転舵角の位相よりも進ませることができる。   Therefore, as shown in FIG. 3, the differential steer control amount generated by the virtual target turning angle generation unit 20b is larger than the differential steer control amount generated by the target turning angle generation unit 19b. That is, the phase of the steering reaction force can be advanced from the phase of the turning angle.

したがって、図４に示すように、操舵反力の応答性を、転舵制御の目標転舵角に基づいて反力制御の目標操舵反力を生成する従来制御における操舵反力の応答性に対し、より高めることができる。すなわち、操舵反力の応答性を車両挙動（転舵角）の応答性よりも高めることができる。また、操舵反力の応答性と車両挙動（転舵角）の応答性とを、係数K１とK２の大きさを変える事により個別に変更できるため、車両挙動の応答性を適度な応答性としながら操舵反力の応答性を高くする事ができる。この結果、SBWシステムの操舵反力の応答性をコンベンショナルな操舵装置の様に車両挙動の応答性よりも高くする事ができ、更に、操舵反力の応答性をコンベンショナルな操舵装置よりも高い、所望の応答特性に近づけることができる。   Therefore, as shown in FIG. 4, the response of the steering reaction force is compared with the response of the steering reaction force in the conventional control that generates the target steering reaction force of the reaction force control based on the target turning angle of the steering control. , Can be raised more. That is, the response of the steering reaction force can be made higher than the response of the vehicle behavior (steering angle). In addition, since the response of the steering reaction force and the response of the vehicle behavior (steering angle) can be changed individually by changing the magnitudes of the coefficients K1 and K2, the response of the vehicle behavior is made appropriate. However, the response of the steering reaction force can be increased. As a result, the response of the steering reaction force of the SBW system can be made higher than the response of the vehicle behavior like a conventional steering device, and the response of the steering reaction force is higher than that of a conventional steering device. The desired response characteristic can be approached.

さらに、実施例１では、目標転舵角生成部１９ｂおよび仮想目標転舵角生成部２０ｂにおいて、同一の可変ギア比マップおよび微分ステアマップを参照して定常ステア制御量および微分ステア制御量を生成している。つまり、転舵制御および反力制御で同じマップを用い、マップに入力する操舵角（第一操舵角、第二操舵角）のみを異ならせているため、操舵反力の応答性を転舵角の応答性よりも確実に進ませることができる。   Further, in the first embodiment, the target steering angle generation unit 19b and the virtual target steering angle generation unit 20b generate the steady steering control amount and the differential steering control amount with reference to the same variable gear ratio map and the differential steering map. doing. In other words, the same map is used for the steering control and the reaction force control, and only the steering angle (first steering angle, second steering angle) input to the map is different, so the response of the steering reaction force is determined as the steering angle. It is possible to advance more reliably than the responsiveness of.

次に、効果を説明する。
実施例１の車両用操舵装置にあっては、以下に列挙する効果を奏する。
(1) ドライバに操作されるハンドル１と、このハンドル１と機械的に分離されると共に前輪２，２に接続されて、前輪２，２を転舵する舵取り機構３と、この舵取り機構３に転舵トルクを付与する転舵モータ９ａ，９ｂと、ハンドル１を支持するコラムシャフト４に操舵反力を付与する反力モータ５と、この反力モータ５の回転角度を検出する反力モータ角度センサ８と、コラムシャフト４上のハンドル１と反力モータ５との間の位置に設けられたトーションバーの捩れ角を検出する捩れ角検出手段としての操舵トルクセンサ７と、反力モータ回転角度に、捩れ角に対して第１係数を乗算した値を加算して第一操舵角を算出する第一操舵角算出部１９ａと、反力モータ回転角度に、捩れ角に対して第１係数よりも大きな第２係数を乗算した値を加算して第二操舵角を算出する第二操舵角算出部２０ａと、第一操舵角に基づいて転舵モータ９ａ，９ｂを制御する転舵制御部１９と、第二操舵角基づいて反力モータ５を制御する反力制御部２０と、を備える。これにより、操舵反力の応答性が車両挙動の応答性よりも高められ、操舵反力特性をコンベンショナルな操舵装置の操舵反力特性に近づけることができる。 Next, the effect will be described.
The vehicle steering apparatus according to the first embodiment has the following effects.
(1) A steering wheel 1 operated by a driver, a steering mechanism 3 that is mechanically separated from the steering wheel 1 and connected to the front wheels 2 and 2 to steer the front wheels 2 and 2, and a steering mechanism 3 Steering motors 9 a and 9 b for applying a steering torque, a reaction force motor 5 for applying a steering reaction force to the column shaft 4 that supports the handle 1, and a reaction force motor angle for detecting the rotation angle of the reaction force motor 5 A sensor 8, a steering torque sensor 7 as a torsion angle detecting means for detecting a torsion angle of a torsion bar provided between the handle 1 on the column shaft 4 and the reaction force motor 5, and a reaction force motor rotation angle The first steering angle calculation unit 19a for calculating the first steering angle by adding a value obtained by multiplying the twist angle by the first coefficient, and the reaction force motor rotation angle from the first coefficient with respect to the twist angle. Is a value multiplied by a large second coefficient. A second steering angle calculation unit 20a that calculates the second steering angle by adding, a steering control unit 19 that controls the steering motors 9a and 9b based on the first steering angle, and a reaction force based on the second steering angle And a reaction force control unit 20 that controls the motor 5. As a result, the response of the steering reaction force is higher than the response of the vehicle behavior, and the steering reaction force characteristic can be brought closer to the steering reaction force characteristic of a conventional steering device.

(2) 転舵制御部１９は、第一操舵角に所定の比を乗算した値と、第一操舵角の微分値である第一操舵角速度に所定の微分ゲインを乗算した値とを加算した値に基づいて目標転舵角を生成する目標転舵角生成部１９ｂを備え、目標転舵角生成部１９ｂで生成された目標転舵角に基づいて転舵モータ９ａ，９ｂを制御し、反力制御部２０は、第二操舵角に所定の比を乗算した値と、第二操舵角の微分値である第二操舵角速度に所定の微分ゲインを乗算した値とを加算した値に基づいて仮想目標転舵角を生成する仮想目標転舵角生成部２０ｂを備え、仮想目標転舵角生成部２０ｂで生成された仮想目標転舵角に基づいて反力モータ５を制御する。すなわち、反力制御のステアリング剛性を転舵制御のステアリング剛性よりも高めることで、車両挙動の位相に対し操舵反力の位相を常に進ませることができ、良好な転舵−操舵反力のバランスが得られる。   (2) The turning control unit 19 adds a value obtained by multiplying the first steering angle by a predetermined ratio and a value obtained by multiplying the first steering angular velocity, which is a differential value of the first steering angle, by a predetermined differential gain. A target turning angle generator 19b that generates a target turning angle based on the value, and controls the turning motors 9a and 9b based on the target turning angle generated by the target turning angle generator 19b; The force control unit 20 is based on a value obtained by adding a value obtained by multiplying the second steering angle by a predetermined ratio and a value obtained by multiplying the second steering angular velocity, which is a differential value of the second steering angle, by a predetermined differential gain. A virtual target turning angle generation unit 20b that generates a virtual target turning angle is provided, and the reaction force motor 5 is controlled based on the virtual target turning angle generated by the virtual target turning angle generation unit 20b. In other words, by increasing the steering rigidity of the reaction force control over the steering rigidity of the steering control, the phase of the steering reaction force can always be advanced with respect to the phase of the vehicle behavior, and a good balance of steering-steering reaction force is achieved. Is obtained.

(3) 目標転舵角生成部１９ｂにて第一操舵角に乗算する所定の比および第一操舵角速度に乗算する微分ゲインと、仮想目標転舵角生成部２０ｂにて第二操舵角に乗算する所定の比および第二操舵角速度に乗算する微分ゲインとを、それぞれ同一の比およびゲイン比とした。これにより、操舵反力の応答性を転舵角の応答性よりも確実に進ませることができる。   (3) A target steering angle generator 19b multiplies the first steering angle by a predetermined ratio and a differential gain by which the first steering angular speed is multiplied, and a virtual target steering angle generator 20b multiplies the second steering angle. The predetermined ratio and the differential gain multiplied by the second steering angular velocity were set to the same ratio and gain ratio, respectively. As a result, the response of the steering reaction force can be more reliably advanced than the response of the turning angle.

実施例１の車両用操舵装置を適用したステア・バイ・ワイヤシステムの全体構成図である。1 is an overall configuration diagram of a steer-by-wire system to which a vehicle steering apparatus according to a first embodiment is applied. 実施例１の転舵制御および反力制御の制御ブロック図である。It is a control block diagram of steering control and reaction force control of Example 1. ハンドルを中立位置から切り増ししたときの反力制御の仮想目標転舵角と転舵制御の目標転舵角との関係を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the relationship between the virtual target turning angle of reaction force control when turning a steering wheel from a neutral position, and the target turning angle of turning control. 実施例１の操舵反力の応答性向上作用を示す操舵反力のタイムチャートである。2 is a time chart of a steering reaction force showing an operation for improving the response of the steering reaction force according to the first embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

１ ハンドル
２ 前輪（操向輪）
３ 舵取り機構
４ コラムシャフト
５ 反力モータ
６ 回転角センサ
７ 操舵トルクセンサ
８ 反力モータ角度センサ
９ａ，９ｂ 転舵モータ
１０ａ，１０ｂ 転舵モータ角度センサ
１１ ラック
１２ａ，１２ｂ タイヤ横力センサ
１３ ピニオンシャフト
１４ 第１コントローラ
１５ 第２コントローラ
１６ 第３コントローラ
１７ バッテリ
１８ 通信線
１９ 転舵制御部（転舵制御手段）
１９ａ 第一操舵角算出部（第一操舵角算出手段）
１９ｂ 目標転舵角生成部
１９ｃ モータ駆動部
２０ 反力制御部（反力制御手段）
２０ａ 第二操舵角算出部（第二操舵角算出手段）
２０ｂ 仮想目標転舵角生成部
２０ｃ 目標反力生成部
２０ｄ モータ駆動部 1 Handle 2 Front wheel (steering wheel)
3 Steering mechanism 4 Column shaft 5 Reaction force motor 6 Rotation angle sensor 7 Steering torque sensor 8 Reaction force motor angle sensors 9a and 9b Steering motors 10a and 10b Steering motor angle sensors 11 Racks 12a and 12b Tire lateral force sensor 13 Pinion shaft 14 1st controller 15 2nd controller 16 3rd controller 17 Battery 18 Communication line 19 Steering control part (steering control means)
19a 1st steering angle calculation part (1st steering angle calculation means)
19b Target turning angle generation part 19c Motor drive part 20 Reaction force control part (Reaction force control means)
20a Second steering angle calculation unit (second steering angle calculation means)
20b Virtual target turning angle generator 20c Target reaction force generator 20d Motor drive unit

Claims (4)

ドライバに操作されるハンドルと、
このハンドルと機械的に分離されると共に操向輪に接続されて、該操向輪を転舵する舵取り機構と、
この舵取り機構に転舵トルクを付与する転舵モータと、
前記ハンドルを支持するコラムシャフトに操舵反力を付与する反力モータと、
この反力モータの回転角度を検出する反力モータ角度センサと、
前記コラムシャフト上の前記ハンドルと前記反力モータとの間の位置に設けられたトーションバーの捩れ角を検出する捩れ角検出手段と、
前記反力モータ回転角度と前記捩れ角とに基づいて第一操舵角を算出する第一操舵角算出手段と、
前記反力モータ回転角度と前記捩れ角とに基づいて前記第一操舵角よりも大きな第二操舵角を算出する第二操舵角算出手段と、
前記第一操舵角に基づいて前記転舵モータの出力トルクを制御する転舵制御手段と、
前記第二操舵角基づいて前記反力モータの出力トルクを制御する反力制御手段と、
を備えることを特徴とする車両用操舵装置。 A handle operated by the driver;
A steering mechanism mechanically separated from the steering wheel and connected to the steered wheel to steer the steered wheel;
A steering motor for applying steering torque to the steering mechanism;
A reaction force motor that applies a steering reaction force to the column shaft that supports the handle;
A reaction force motor angle sensor for detecting the rotation angle of the reaction force motor;
A torsion angle detection means for detecting a torsion angle of a torsion bar provided at a position between the handle on the column shaft and the reaction force motor;
First steering angle calculation means for calculating a first steering angle based on the reaction force motor rotation angle and the twist angle;
Second steering angle calculation means for calculating a second steering angle larger than the first steering angle based on the reaction force motor rotation angle and the twist angle;
Steering control means for controlling the output torque of the steering motor based on the first steering angle;
Reaction force control means for controlling the output torque of the reaction force motor based on the second steering angle;
A vehicle steering apparatus comprising: 請求項１に記載の車両用操舵装置において、
前記転舵制御手段は、前記第一操舵角の微分値である第一操舵角速度に基づいて前記転舵モータの出力トルクを制御し、
前記反力制御手段は、前記第２操舵角の微分値である第二操舵角速度に基づいて前記反力モータの出力トルクを制御することを特徴とする車両用操舵装置。 The vehicle steering apparatus according to claim 1,
The steering control means controls the output torque of the steering motor based on a first steering angular velocity that is a differential value of the first steering angle,
The vehicle steering apparatus, wherein the reaction force control means controls an output torque of the reaction force motor based on a second steering angular velocity that is a differential value of the second steering angle. 請求項２に記載の車両用操舵装置において、
前記転舵制御手段は、前記第一操舵角に所定の比を乗算した値と、前記第一操舵角速度に所定の微分ゲインを乗算した値とを加算した値に基づいて目標転舵角を生成する目標転舵角生成部を備え、該目標転舵角生成部で生成された目標転舵角に基づいて前記転舵モータの出力トルクを制御し、
前記反力制御手段は、前記第二操舵角に所定の比を乗算した値と、前記第二操舵角速度に所定の微分ゲインを乗算した値とを加算した値に基づいて仮想目標転舵角を生成する仮想目標転舵角生成部を備え、該仮想目標転舵角生成部で生成された仮想目標転舵角に基づいて前記反力モータの出力トルクを制御することを特徴とする車両用操舵装置。 The vehicle steering apparatus according to claim 2,
The steering control means generates a target turning angle based on a value obtained by adding a value obtained by multiplying the first steering angle by a predetermined ratio and a value obtained by multiplying the first steering angular velocity by a predetermined differential gain. A target turning angle generation unit that controls the output torque of the turning motor based on the target turning angle generated by the target turning angle generation unit,
The reaction force control means determines a virtual target turning angle based on a value obtained by adding a value obtained by multiplying the second steering angle by a predetermined ratio and a value obtained by multiplying the second steering angular velocity by a predetermined differential gain. A vehicle steering system comprising a virtual target turning angle generation unit for generating, and controlling output torque of the reaction force motor based on the virtual target turning angle generated by the virtual target turning angle generation unit apparatus. 請求項３に記載の車両用操舵装置において、The vehicle steering apparatus according to claim 3,
前記目標転舵角生成部にて第一操舵角に乗算する所定の比および第一操舵角速度に乗算する微分ゲインと、前記仮想目標転舵角生成部にて第二操舵角に乗算する所定の比および第二操舵角速度に乗算する微分ゲインとは、それぞれ同一の比およびゲイン比であることを特徴とする車両用操舵装置。A predetermined ratio for multiplying the first steering angle by the target turning angle generator and a differential gain for multiplying the first steering angular speed, and a predetermined multiplier for multiplying the second steering angle by the virtual target turning angle generator. The vehicle steering apparatus, wherein the differential gain multiplied by the ratio and the second steering angular velocity are the same ratio and gain ratio, respectively.
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