CN101450680A - 操舵系统 - Google Patents

Abstract

本发明的课题在于提供一种在保持车辆转弯时的行驶稳定性的同时，可提高车辆转弯行驶时的响应性的装置。对于左右后轮束角的操纵，不是根据方向盘的操舵角实施，而是根据方向盘的操舵角的速度即根据操舵角速度来实施。在能够分别独立控制后车轴上的左右轮的束角的操舵系统(100)中，根据操舵角(θ_H)求出操舵角速度(ω_H)，上述操舵角速度(ω_H)在左侧时，右侧后轮(2R)的束角朝向左侧，并且在上述操舵角速度(ω_H)在右侧时左侧后轮(2L)的束角朝向右侧，这样实现束角变更装置(120R、120L)。

Description

操舵系统

技术领域

本发明涉及例如独立控制四轮自动车的左右后轮的束角(toe angle)的车辆的操舵系统。

背景技术

一直以来，以提高车辆转弯性等为目的，对控制后轮的束角的四轮操舵装置提出有很多种方案。比如说，在专利文献1中，公布了基于转向盘(方向盘)的操舵角和车辆的行驶速度(车速)，独立控制左右后轮的束角的技术。

专利文献1：日本特公平6-47388号公报(权利要求1等)

但是，如专利文献1所述，车速暂且不说，若基于(方向盘的)操舵角来控制左右后轮的束角，则会使车辆转弯行驶时的响应性降低。

例如，在考虑到蛇行行驶时，在根据操舵角的控制中转弯行驶的响应性会上产生滞后，如果不想响应性产生滞后，则有可能损坏稳定性。

发明内容

因此，鉴于以上情况，本发明的目的是在保持车辆转弯时行驶稳定性的同时，提高车辆转弯行驶时的响应性。

为解决上述课题，本发明的特征在于，不基于方向盘的操舵角进行左右后轮的束角的控制，而是基于方向盘的操舵角的速度即操舵角速度来进行控制。

在要改变转弯状态时，在控制方向盘切换的时刻，(前轮的方向即使依然不改变)其操舵角速度的方向改变。结果是，若根据方向盘的操舵角速度控制左右后轮的束角，则在操舵角速度的方向开始改变的时刻，也实现了对其束角的控制。此时，在是内轮时对转弯性能基本没有影响，但是变为外轮时给予很大影响的后轮的方向变为前束，从而控制其束角。即，先对转弯性能所受影响比外轮侧小的内轮侧进行控制。具体如后所述。

根据本发明，在保持车辆转弯时的行驶稳定性的同时，可以提高车辆转弯行驶时的响应性。

附图说明

图1是具备与本发明实施方式相关的包含束角变更装置的操舵系统的四轮自动车的整体概要图。

图2是操舵系统的电动动力转向装置的结构图。

图3是操舵系统的左后轮侧的束角变更装置的俯视图。

图4是表示束角变更装置的执行器构造的概略截面图。

图5是操舵系统的操舵控制ECU和束角变更装置的概略控制功能结构图。

图6是束角变更装置的束角变更控制ECU的控制功能的组块结构图。

图7是表示在操舵系统中进行的控制束角变更的处理动作的流程图。

图8是表示操舵角、操舵角速度以及车辆前轮及后轮的朝向关系的图。

图中：

1L、1R-前轮；2L、2R-后轮；3-方向盘；30-执行器；31-电动机(执行器)；33-减速机构(执行器)；35-螺纹进给部(执行器)；37-束角变更控制ECU；38-行程传感器；71-目标束角计算部；81-控制部；81a-目标电流计算部；81c-电动机控制信号生成部；83-电动机驱动电路；120L、120R-束角变更装置；130-操舵控制ECU；S_H-操舵角传感器；S_GS-横加速度传感器；S_V-车速传感器；S_Y-横摆传感器。

具体实施方式

以下，对用于实施本发明的最优选的实施方式(以下称“实施方式”)进行说明。说明时适当参照附图。并且，图1是具备与本实施方式相关的包含束角变更装置的操舵系统的四轮自动车的整体概要图，图2是电动动力转向装置的结构图。

【结构】

如图1所示，操舵系统100构成为，包括：电动动力转向装置110，其通过电动机4对基于使前轮1L、1R转舵的方向盘3的操舵进行辅助；束角变更装置120L、120R，其通过执行器30使后轮2L、2R的束角分别对应于方向盘3的操舵角及车速而独立地变更；操舵控制装置130(以下，称为操舵控制ECU(Electronic Control Unit))，其控制电动动力转向装置110以及束角变更装置120L、120R；以及操舵角传感器S_H和车速传感器S_V等。

(电动动力转向装置)

电动动力转向装置110，如图2所示，设置有方向盘3的主转向轴3a、旋转轴3c、小齿轮轴7由两个万向联轴节(万向接头)3b连结，另外，在小齿轮轴7的下端部设置的小齿轮7a与可以沿车宽方向做往复运动的齿条轴8的齿条齿8a相啮合，在齿条轴8的两端通过连接杆(tie rod)9、9连结左右的前轮1L、1R。根据这样的结构，电动动力转向装置110在操作方向盘3时可以改变车辆的行进方向。在此，齿条轴8、齿条齿8a、连接杆9、9构成了转舵机构。

另外，小齿轮轴7的上部、中间部、下部通过轴承3d，3e，3f被转向齿轮箱(steering gear box)6支承。

其次，电动动力转向装置110具有电动机4，电动机4供给辅助操舵力用于减弱基于方向盘3的操舵力，在该电动机4的输出轴上设置的蜗轮(worm gear)5a与设置在小齿轮轴7上的蜗轮齿轮(worm wheel gear)5b相啮合。

即，蜗轮5a和蜗轮齿轮5b构成了减速机构。另外，通过电动机4的转子、与电动机4连结在一起的蜗轮5a、蜗轮齿轮5b、小齿轮轴7、齿条轴8、齿条齿8a、连接杆9、9等构成了转向系统。

电动机4是3相无刷电动机，其由具备多个励磁线圈的定子(未图示)和在该定子内部转动的转子(未图示)构成，把电能转化为机械能。

另外，电动动力转向装置110具备：驱动电动机4的电动机驱动电路23、检验电动机4的旋转角的解析器(resolver)25、检测施加在小齿轮轴7上的小齿轮转矩的转矩传感器S_T、检测小齿轮轴7的旋转角的操舵角传感器S_H、对转矩传感器S_T的输出进行放大的差动放大电路21以及检测车辆速度(车速)的车速传感器S_V。

而且，操舵系统100的操舵控制ECU130具有驱动控制电动动力转向装置10的功能部即电动机4的后述的电动动力转向装置控制部130a(参照图5)。

电动机驱动电路23例如具备三相的FET(Field Effect Transistor)桥电路那样的多个开关元件，利用来自电动动力转向装置控制部130a的DUTY(DU、DV、DW)信号[PWM(Pulse Width Modulation)信号]，生成矩形波电压，驱动电动机4。

另外，电动机驱动电路23具备利用未图示的霍尔元件检测三相电动机电流的功能。

车速传感器S_V将车辆的车速V作为每单位时间的脉冲数检测出，并输出车速信号。

关于操舵控制ECU130的功能结构，在总结电动动力转向装置110的控制部和束角变更装置120L、120R的控制之后说明。

(束角变更装置)

接下来，参照图3和图4来说明束角变更装置的结构。

图3是左后轮侧的束角变更装置的俯视图，图4是表示束角变更装置的执行器结构的概略截面图。

束角变更装置120L、120R是分别安装在车辆左右后轮2L、2R上的装置，在图3中，以左后轮2L为例表示束角变更装置120L。束角变更装置120L具备执行器30、束角变更控制装置(以下，称束角变更控制ECU)37。

并且，图3虽然仅表示了左侧后轮2L，但是对右侧的后轮2R也同样(对称地)安装。并且，束角变更控制ECU37构成束角变更装置中的控制机构。

在车体的后部侧架(rear side flame)11上弹性支承着大致沿车宽方向延伸的横梁12的车宽方向端部。而且，大致沿车体前后方向延伸的纵臂13的前端在横梁12的车宽方向端部附近被支承。在纵臂13的后端上固定着后轮2L。

纵臂13是通过大致铅直方向的转动轴13c将装在横梁12上的车体侧臂13a和固定在后轮2L上的车轮侧臂13b连结起来而构成的。由此，纵臂13可以向车宽方向变位。

执行器30的一端通过轴套16被安装在车轮侧臂13b的转动轴13c的前方侧的前端部，另一端通过轴套17被安装在横梁12上。

如图4所示，执行器30包括电动机31、减速机构33和螺纹进给部35等。

电动机31由可以向正反两方向旋转的电刷电机或无刷电机等构成。

减速机构33例如是由二级行星齿轮(未图示)等组合而构成的。

螺纹进给部35具备：形成为圆筒形状的杆35a、插入在该杆35a的内部且呈圆筒形状并在内周侧形成有螺旋槽35b的螺母35c以及与螺旋槽35b啮合并支承杆35a使其可以在轴方向上移动的螺旋轴35d。

螺纹进给部35和减速机构33以及电动机31一起被收容在细长形状的大致圆筒形的箱本体34内。另外，在箱本体34的螺纹进给部35的一侧安装有靴(boots)36，以覆盖箱本体34的端部和杆35a的端部之间，防止灰尘或异物附着在从箱本体34的端部露出的杆35a的外周面，以使灰尘或异物或水不会从外部侵入到箱本体34的内部。

减速机构33的一端与电动机31的输出轴连结，另一端和螺旋轴35d连结。来自电动机31的动力通过减速机构33被传递到螺旋轴35d，使螺旋轴35d旋转，由此，杆35a相对于箱本体34在图示的左右方向(轴向)上可以伸缩自如地动作。通过螺旋轴35d与螺母35c的螺旋槽35b的啮合摩擦力，即使在电动机31处于未通电未被驱动的状态下，后轮的束角也能保持一定的角度。

另外，在执行器30设置有检测出杆35a的位置(伸缩量)的行程传感器38。该行程传感器38例如内置有磁铁，可以利用磁性来检测位置。如此，通过利用行程传感器38测出位置，可以分别高精度地检测出后轮2L、2R的前束、后束的舵角(束角)。

对于这样构成的执行器30，设置在杆35a的前端的轴套16转动自如地连结于纵臂13的车轮侧臂13b(参照图3)，设置在箱本体34的基端(图4中的右侧端)上的轴套17转动自如地连结于横梁12(参照图3)。当在电动机31的动力作用下，螺旋轴35d旋转，杆35a延伸(图4的左方向)时，车轮侧臂13b被压向车宽方向外侧(图3的左方向)，后轮2L向左转动，另外，当杆35a收缩(图4的右方向)时，车轮侧臂13b被拉向车宽方向内侧(图3的右方向)，后轮2L向右转动。

此外，执行器30的安装轴套16的部位只要是关节等可以改变后轮2L的束角的位置，则并不一定限定于车轮侧臂13b。另外，在本实施方式中，束角变更装置120L、120R以适用于半纵臂(semi-trailing arm)型独立悬架方式的悬挂装置的情况为例进行了说明，但是不仅限于此，也适用于其他悬架方式的悬挂装置。

例如，也可以通过在双叉骨式悬挂装置(double wishbone typesuspension)的侧杆、撑杆式悬挂装置(strut type suspension)的侧杆中组装所述执行器30来实现。

另外，在执行器30上一体安装有束角变更控制ECU37。束角变更控制ECU37固定在执行器30的箱本体34上，通过行程传感器38和连接器等连接。另外，在左右的束角变更控制ECU37、37彼此之间，在束角变更控制ECU37、37和操舵控制ECU130之间通过通信线路连接。

束角变更控制ECU37由车载的未图示的电池等电源提供电力。另外，操舵控制ECU130、电动机驱动电路23也通过与前面不同的其它系统由电池等电源提供电力(未图示)。

(操舵控制ECU)

下面，参照图5说明操舵控制ECU的功能。

图5是操舵系统的操舵控制ECU与束角变更装置的概略控制功能结构图。

操舵控制ECU130由具备未图示的CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等的微型计算机以及周边电路等构成。

如图5所示，操舵控制ECU130具备：控制电动动力转向装置110的电动动力转向装置控制部130a和计算后轮2L、2R的束角的目标值的目标束角计算部71。

(电动动力转向装置控制部)

关于电动动力转向装置控制部130a，省略详细的说明，如日本特开2002-59855号公报的图2记载的那样，设定用于驱动控制电动机4的目标电流信号，惯性修正该信号，进一步进行阻尼修正，反馈控制被修正的目标电流、电动机驱动电路的输出电流，向电动机驱动电路23输出DUTY(D、U、DV、DW)信号。

(目标束角计算部)

下面，参照图5说明目标束角计算部。

目标束角计算部71主要根据操舵角θ_H的操舵角速度ω_H生成左右后轮2L、2R的各自的目标束角α_TL、α_TR，向控制左右后轮2L、2R的各自的束角变更的束角变更控制ECU37、37输入目标束角α_TL、α_TR。该目标束角α_TL、α_TR的生成，利用预先在各左右后轮2L、2R上设定的束角表(toeangle table)71a，主要基于操舵角θ_H的操舵角速度ω_H进行。并且控制成操舵角速度越大，束角越变大。

另外，操舵角速度ω_H在目标束角计算部71内对操舵角θ_H求微分。该操舵角速度ω_H可以认为是表示驾驶者是否将方向盘3转到某方向的值。

例如，如下式(1)、(2)这样设定。

α_TL＝K_L·ω_H…式(1)

α_TR＝K_R·ω_H…式(2)

在此，K_L、K_R虽然是比例常数，但也可以是根据车速V、操舵角θ_H以及操舵角速度ω_H而确定的参数。另外，也可以根据需要还基于操舵角θ_H以及车速V参照确定目标束角α_TL、α_TR。

为方便说明，在车辆右转的状态，即将方向盘3向右转舵使得前轮1L、1R朝向右侧的状态下，操舵角θ_H表示θ_H>θ_o(θ_o为正的微小值)的值，在车辆左转的状态，即将方向盘3向左转舵使得前轮1L，1R朝向左侧的状态下，操舵角θ_H表示θ_H<—θ_o的值。

另外，目标束角α_TL、α_TR以及左右后轮2L、2R各自现在的束角α_L、α_R(如后所述)，在前束的状态下是表示α_TL、α_L、α_TR、α_R>α_o(α_o是正的微小值)的值。因此，变成α_L>α_o的左后轮2L相对于车辆的行进方向朝向右侧，变成α_R>α_o的右后轮2R相对于车辆行进方向朝向左侧。

此外，在以规定速度向右转方向盘3时，操舵角速度ω_H表示成为ω_H>ω_o(ω_o是正的微小值)的值，在以规定速度向左转方向盘3时，操舵角速度ω_H表示成为ω_H<—ω_o的值。

(束角变更控制ECU)

下面，参照图6对束角变更控制ECU的详细构成进行说明。图6为束角变更装置的束角变更控制ECU的控制功能的结构框图。

如图6所示，束角变更控制ECU 37具备执行器30，即具备驱动控制电动机31的功能，由控制部81及电动机驱动电路83构成。另外，各束角变更控制ECU通过通信线和操舵控制ECU130连接，并且通过通信线也与另一束角变更控制ECU37连接。

控制部81由具备CPU、RAM、ROM等的微机及周边电路等构成，并具有目标电流计算部81a及电动机控制信号生成部81c。

一边(右后轮2R侧)的束角变更控制ECU37的目标电流计算部81a基于从操舵控制ECU 130通过通信线输入的、右后轮2R的目标束角α_TR(对应于操舵角速度的目标值)与由行程传感器38得到的现在的右后轮2R的束角α_R的偏差，算出目标电流信号，并向电动机控制信号生成部81c输出。

另一边(左后轮2L侧)的束角变更控制ECU37的目标电流计算部81a，基于通过通信线从操舵控制ECU130输入的、左后轮2L的目标束角αTL(对应于操舵角速度的目标值)与由行程传感器38得到的现在的左后轮2L的束角α_L的偏差，算出目标电流信号，并向电动机控制信号生成部81c输出。这样，偏差越大，目标电流值也越大。

在此，所谓目标电流信号是指为将执行器30以希望速度设定为希望的动作量(使后轮2L、2R成为希望的束角α_TL、α_TR的伸缩量)所必需的电流信号。

这样，在目标电流计算部81a中，相对于目标束角对现在的束角进行反馈，修正目标电流信号，由此，对后轮2L(或者2R)的转舵所需要的电流值因车速V、路面环境、车辆的运动状态、轮胎的磨损状态等变化的情况进行反馈，可以对目标束角以希望的束角的变化速度进行设定控制。

电动机控制信号生成部81c从目标电流计算部81a输入目标电流信号，向电动机驱动电路83输出电动机控制信号。该电动机控制信号是包含供给给电动机31的电流值和电流流动的方向的信号。电动机驱动电路83由FET(Field Effect Transistor)的桥电路等构成，基于电动机控制信号向电动机31供给电动机电流。

《处理动作》

下面，参考图7，说明操舵系统100中束角变更的控制的处理动作。图7是表示操舵系统的束角变更的控制的处理动作的流程图。以下的控制流程按规定的周期，例如以1msec的周期反复进行。

首先，在步骤S101中，目标束角计算部71读入操舵角θ_H。然后，在步骤S102中目标束角计算部71对操舵角θ_H进行微分，算出操舵角速度ω_H。

在步骤S103中，目标束角计算部71评价算出的操舵角速度ω_H，判定方向盘3改变的方向。在操舵角速度ω_H小于—ω_o时(在步骤S103中为是)，判定方向盘3向左转向，并进入步骤S104。在操舵角速度ω_H不小于—ω_o时，(在步骤S103中为否)，进入步骤S107。

在步骤S104中，目标束角计算部71使用束角表71a，设定超过α_o的α_TR作为右后轮2R的目标束角。设定了的α_TR被输出向束角变更控制ECU37，然后进入步骤S105。

在步骤S105中，束角变更控制ECU37的目标电流计算部81a计算出与被输出的α_TR对应的目标电流值。该目标电流值参考预先准备好的ROM中储存的表算出。之后，在步骤S106中，基于算出来的目标电流值驱动电动机31，以使右后轮2R变为前束的方式进行控制。以使右后轮2R变为前束的方式进行控制，是由于在右转状态下向左操纵方向盘3时，右后轮2R作为转弯性能大的外轮发挥作用。在位于内轮侧时，因为轮重小，对转弯性能带来的影响比外轮侧小，所以提前运转也不会造成大的影响，无损转弯行驶的稳定性。

在步骤S107中，目标束角计算部71判断操舵角速度ω_H是否超过ω_o。在操舵角速度ω_H超过ω_o(在步骤S107中为是)时，判定向右操纵方向盘3，进入步骤S108。在操舵角速度ω_H没有超过ω_o(在步骤S107中为否)时，判定没有操纵方向盘3，进入步骤S111。

在步骤S108中，目标束角计算部71使用束角表71a，设定超过α_L的α_TL作为左后轮2L的目标束角。以超过现在的左后轮2L的束角即α_L的方式进行设定是为了反映在右转状态中向右操纵方向盘3并还想进一步向右转的驾驶员的意思。但是，在转弯性能完全得到发挥时没有这个限制。设定了的α_TL被输出到束角变更控制ECU 37，进入步骤S109。

在步骤S109中，束角变更控制ECU37的目标电流计算部81a算出对应于被输出的α_TL的目标电流值。参考预先准备好的ROM中储存的表算出该目标电流值。之后，在步骤S110中，基于算出来的目标电流值驱动电动机31，进行控制使得左后轮2L成为前束。进行控制使得左后轮2L成为前束是因为在左转状态下向左操纵方向盘3时，左后轮2L依然作为转弯性能大的外轮发挥作用。

在步骤S111中，不进行上述那样的成为前束的控制，仅维持对左右后轮2L、2R的束角变更控制。目标束角计算部71使用束角表71a，作为左右后轮2L、2R的目标束角，设定规定值α_TR、α_TL，该规定值α_TR、α_TL没有设定为前面描述的成为前束的值。束角变更控制ECU37根据目标电流计算部81a计算出与该规定值对应的目标电流值，并基于该目标电流值驱动电动机31。

以上是在操舵系统中束角变更的控制的处理动作的说明。

《总结》

根据本实施方式，有以下的效果。即，并不是如现有的那样基于方向盘的操舵角，而是基于其操舵角速度对左右后轮的束角进行控制，所以可以提高车辆转弯行驶时的响应性。

特别是在转弯状态切换时，因为在切换的时刻，即使操舵角不变，操舵角速度也变化，所以对转弯状态的切换的响应性优越。此时，在切换转弯状态之前，作为转弯性能小的内轮的后轮，在转弯状态切换之后，变成转弯性能大的外轮的后轮，使该后轮迅速变为前束，由此可以提高转弯行驶时的响应性。

图8表示操舵角、操舵角速度以及车辆的前轮及后轮的朝向之间的关系。蛇行行驶时的车辆由于转弯状态左右交替切换，因此操舵角θ_H随着时间的推进，按照图8中实线所描绘的那样变化。此时，因为操舵角速度ω_H随时间的推进按图8中虚线所描绘的那样变化，先取得操舵角θ_H的变化，因此提高了响应性。从图8可以判断出，本发明的操舵系统在操舵角速度ω_H在左侧时，以使右侧后轮的束角向左的方式进行控制，当操舵角速度ω_H在右侧时，以使左侧后轮的束角向右的方式进行控制。并且，这样控制的束角与操舵角速度ω_H的大小对应。

《其他》

并且，上述方式虽然是用于实施本发明的最好的方式，但并不仅限定于该实施方式。因此，在不离开本发明宗旨的范围内，该实施方式可以有多种变化。

例如，在上述方式中，基于操舵角速度ω_H(以变成前束的方式)设定目标束角，但也可以基于车速V或操舵角θ_H等进行设定。

车速V在规定的低速范围内，对应于方向盘3的操舵角速度ωH，使后轮2L、2R成为反位相，使小转弯容易，设定各个后轮的目标束角α_TL、α_TR即可。在超过所述规定的低速范围的高速范围内，在操舵角θ_H在左右的规定的范围内的情况下，对应于操舵角速度ω_H同相位地设定各后轮的目标束角α_TL、α_TR即可。即，设定各个后轮的目标束角α_TL、α_TR，以减小改变轨道(lane change)的横滑角β。但是，在超过所述规定的低俗范围的高速范围内，在操舵角θ_H超过左右的规定的范围的情况下，为对应于操舵角速度ω_H使后轮的外轮变为前束，设定各后轮的目标束角α_TL、α_TR即可。

另外，在目标束角计算部71生成的目标束角α_TL、α_TR，从转弯稳定性的观点来看，并不一定要遵从阿克曼的几何学。

另外，在上述方式中，即使在操纵方向盘3以助长转弯状态时(在向右转的情况下，进一步向右操纵方向盘3等)，控制成为外轮的后轮使其成为前束。但是，在通过这样的控制使转弯稳定性下降时，可以进行控制使得不进行设置可执行的束角的最大值，超过该最大值的目标束角的设定。

另外，代替操舵角θ_H，也可以根据前轮的转舵角δ判断转弯状态。在这种情况下，也可以将检测前轮的转舵角的传感器用在控制前轮转舵的执行器上，在目标电流计算部81a中利用前轮转舵角δ算出目标电流值。判断转弯状态还可以为如下情况：设定横向加速度传感器S_GS和偏航率传感器S_Y，在检测出超过规定的横向加速度或规定的偏航率的值的情况下不是大致直进状态。

另外，上述实施方式设定目标电流来控制通过电动机31的电流，但是也可以将施加在电动机31上的电压设定为目标电压，控制电动机31流通的电流。

另外，在上述实施方式中，左右的束角变更装置120L、120R分别具有束角变更控制ECU37，独立于操舵控制ECU130设置，但不限于此。例如，可以由一个CPU对应由这三个ECU的功能的CPU构成的部分来实现，也可以用一个CPU来对应由两个束角变更控制ECU37的功能的CPU构成的部分

另外，上述实施方式中，通过车速传感器S_V求出车速，但也可以通过前轮1L、1R和后轮2L、2R装备的车轮速度传感器来求得车速。

Claims (2)

1.一种操舵系统，其可以分别独立控制后车轴上的左右轮的束角，其特征在于：

求出操舵角速度，在所述操舵角速度在左侧时使右侧后轮的束角朝向左侧，并且在所述操舵角速度在右侧时使左侧后轮的束角朝向右侧。

2.如权利要求1所述的操舵系统，其特征在于：

所述束角与所述操舵角速度成比例。

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