JP2000128002A

JP2000128002A - 操舵制御装置

Info

Publication number: JP2000128002A
Application number: JP30404898A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Kawaguchi; 裕川口; Nobuyoshi Sugitani; 伸芳杉谷; Shiro Nakano; 史郎中野
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-10-26
Filing date: 1998-10-26
Publication date: 2000-05-09
Anticipated expiration: 2018-10-26
Also published as: JP3577226B2

Abstract

(57)【要約】【課題】操舵反力を反力モータで付与する場合、その
制御量はハンドル操作に応じて決定しているため、ラッ
ク軸に作用する軸力が操舵反力に反映されない。【解決手段】ラック軸２３に作用する軸力は、ラック
軸２３の実ストローク位置Ｘｒに対応するため、下記式
に示すように、操舵角θに基づく制御量と実ストローク
位置Ｘｒに基づく制御量とをもとに、反力モータ１１の
制御量Ｔｈを設定する。Ｔｈ＝Ｋｐ・θ＋Ｋｄ・ｄθ／ｄｔ＋Ｋｄｄ・ｄ²θ／
ｄｔ²＋Ｆｐ・Ｘｒ＋Ｆｄ・ｄＸｒ／ｄｔ＋Ｆｄｄ・ｄ²
Ｘｒ／ｄｔ²

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、転舵輪を転舵駆動
するアクチュエータの駆動制御を行うことで、操舵ハン
ドルの操作に応じて転舵輪を転舵させる操舵制御装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】操舵ハンドルに連結された操舵軸と、転
舵輪を転舵させる転舵機構とを機械的に分離し、これら
の連動制御を電気的に行う操舵制御装置が提案されてい
る。例えば、特開平４−１３３８６０号では、図１２に
示す制御システムが開示されており、操舵ハンドル１０
１の操作量をポテンショメータ１０２で検出し、その検
出結果をもとに、転舵装置１０３によってロッド１０４
を変位させて車輪１０５を転舵させる機構となってい
る。また、操舵ハンドル１０１はステアリングシャフト
１０６を介してアクチュエータ１０７に連結されてお
り、アクチュエータ１０７の駆動力により操舵反力が与
えられる。この際、アクチュエータ１０７によって発生
する操舵反力Ｔは、下記の（Ａ）式に基づいて決定して
いる。なお、下記式中、θは操舵角、Ｍ₂、Ｍ₁、Ｍ₀は
定数、Ｍｃは操舵方向により符号の変化する定数であ
る。

【０００３】Ｔ＝Ｍ₂・（ｄ²θ／ｄｔ²）＋Ｍ₁・（ｄθ／ｄｔ）＋Ｍ₀・θ±Ｍｃ …（Ａ）

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような操舵装置で
は、操舵ハンドル１０１の操作状態を検出し、その検出
結果をもとに車輪１０５を転舵させるため、操舵ハンド
ル１０１の操作に対して、車輪１０５の転舵動作は時間
的に遅れて現れる。操舵反力は、本来、ロッド１０４に
作用する軸力が反映されるものであるため、（Ａ）式で
示されるように、操舵角θのみに基づいて操舵反力を規
定すると、例えば、操舵ハンドル１０１を切り返す操作
を行った場合に、アクチュエータ１０７で発生される操
舵反力の方向が逆になる場合も生じ得る。

【０００５】本発明はこのような課題を解決すべくなさ
れたものであり、その目的は、実際に転舵軸に作用する
力を反映した操舵反力を付与し得る操舵制御装置を提供
することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そこで請求項１にかかる
操舵制御装置は、操舵ハンドルの操作に応じて、転舵軸
を駆動するアクチュエータの駆動制御を行うことで、転
舵軸に連結された転舵輪の転舵制御を行う操舵制御装置
であって、操舵ハンドルの操舵状態を検知する操舵状態
検知手段と、転舵輪の転舵位置を検知する転舵位置検知
手段と、操舵ハンドルに操舵反力を付与する反力付与手
段と、操舵状態検知手段で検知された操舵状態に基づく
制御量と転舵位置検知手段で検知された転舵位置に基づ
く制御量とをもとに、反力付与手段に対する制御量を設
定する制御量設定手段とを備えて構成する。

【０００７】転舵軸に作用する力は転舵輪の転舵変位と
対応するため、転舵位置をもとに転舵軸に作用する力を
概ね把握することができる。このため、制御量設定手段
において、操舵状態に基づく制御量と転舵位置に基づく
制御量とをもとに、反力付与手段に対する制御量を設定
することで、転舵軸に作用する力を考慮した操舵反力が
付与される。

【０００８】請求項２にかかる操舵制御装置は、請求項
１における操舵制御装置において、転舵位置に基づく制
御量は、転舵位置と転舵位置の変化状態とに基づく制御
量である。

【０００９】このように転舵位置に基づく制御量を、転
舵位置の変化状態を考慮して設定することで、転舵位置
を変えつつある転舵輪の運動状態により即した、すなわ
ち転舵軸に作用する実際の軸力により即した操舵反力を
付与することができる。

【００１０】請求項３にかかる操舵制御装置は、請求項
１又は２にかかる操舵制御装置において、転舵位置に基
づく制御量を、転舵輪と路面との間の摩擦状態に応じて
補正する補正手段を備えて構成する。

【００１１】転舵の際に転舵軸に作用する軸力は、転舵
輪と路面との間の摩擦状態の影響を受け、この摩擦が小
さい場合には転舵軸に作用する軸力が小さくなり、反対
に、摩擦が大きい場合には転舵軸に作用する軸力も大き
くなる。そこで、補正手段によって、転舵輪と路面との
間の摩擦状態に応じて転舵位置に基づく制御量を補正す
ることで、運転者は路面状態に応じた操舵感を得ること
ができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につき、
添付図面を参照して説明する。

【００１３】図１に実施形態にかかる操舵制御装置の構
成を示す。この操舵制御装置は、運転者が操作する操舵
機構１０、車輪２１を転舵させる転舵機構２０、これら
操舵機構１０と転舵機構２０との連動制御を電気的に行
う制御装置３０を備えて構成する。

【００１４】操舵機構１０は、操舵反力を発生する反力
モータ１１を備えており、この反力モータ１１の出力軸
に操舵軸１２を連結し、操舵軸１２に対して操舵ハンド
ル１３を連結している。また、操舵軸１２には、操舵ハ
ンドル１３の操舵角を検出する操舵角センサ１４を設け
ている。さらに、後述する制御装置３０から出力された
制御量Ｔｈが与えられる駆動回路１５を備えており、駆
動回路１５は与えられた制御量Ｔｈに応じて反力モータ
１１を駆動させる。

【００１５】転舵機構２０は、車輪２１を転舵させる駆
動源となる転舵モータ２２を備えており、転舵モータ２
２によって、ラックハウジング２３ｈ内のラック軸２３
（転舵軸）をその軸線方向に沿って変位駆動させる。ま
た、ラック軸２３の両側には、それぞれタイロッド２
４、ナックルアーム２５を介して車輪２１が連結されて
おり、ラック軸２３の変位量及び変位方向に応じて車輪
２１の転舵がなされる機構となっている。また、ラック
軸２３のストローク位置を検出する位置センサ２６の本
体をラックハウジング２３ｈに対して固定し、位置セン
サ２６の検出ロッド２６ａをラック軸２３に接続してお
り、ラックハウジング２３ｈに対するラック軸２３の変
位量からラック軸２３のストローク位置を検出する。そ
して、ラック軸２３のストローク位置が車輪２１の転舵
角に対応するため、位置センサ２６によってラック軸２
３のストローク位置を検出することで、車輪２１の転舵
角を検知している。また、後述する制御装置３０から出
力された制御量Ｔｗが与えられる駆動回路２７を備えて
おり、駆動回路２７は与えられた制御量Ｔｗに応じて転
舵モータ２２を駆動させる。

【００１６】制御装置３０には、操舵角センサ１４、位
置センサ２６の検出結果の他、車速を検出する車速セン
サ４１、四輪の各サスペンションと車体との相対変位を
検出する車高センサ４２、車両に作用する横方向の加速
度を検出する横加速度センサ４３の各検出結果が与えら
れ、これらの検出結果をもとに、反力モータ１１及び転
舵モータ２２の駆動制御を実施している。

【００１７】ここで制御装置３０で実施する転舵モータ
２２の制御処理について、図２のフローチャートに沿っ
て説明する。

【００１８】このフローチャートは、イグニションスイ
ッチのオン操作によって起動する。まず、ステップ（以
下、ステップを「Ｓ」と記す）１０２に進んで、操舵角
センサ１４で検出された操舵角θ、車速センサ４１で検
出された車速Ｖ及び位置センサ２６で検出されたラック
軸２３の実ストローク位置Ｘｒをそれぞれ読み込む。

【００１９】なお、前述したようにラック軸２３のスト
ローク位置は車輪２１の転舵位置（転舵角）に対応する
ため、「実ストローク位置」は車輪２１の「実転舵位
置」と同義である。

【００２０】続くＳ１０４では、Ｓ１０２で読み込んだ
操舵角θと車速Ｖをもとに、車輪２１の転舵制御の目標
となる、ラック軸２３の目標ストローク位置Ｘｔを設定
する。この際、制御装置３０には、図３に示すように、
操舵ハンドル１３の操舵角θを車輪２１の転舵角θｗと
して伝達する伝達比Ｇ（Ｇ＝操舵角θ／転舵角θｗ）の
値を、操舵角θと車速Ｖとに応じて規定した３次元マッ
プを備えており、Ｓ１０２で読み込まれた操舵角θと車
速Ｖから、図３のマップをもとに検索し、操舵角θ及び
車速Ｖに応じた伝達比Ｇを設定する。そして、設定され
た伝達比Ｇと操舵角θとをもとに、（１／Ｇ）＊θを演
算し、その演算結果をラック軸２３の目標ストローク位
置Ｘｔとして設定する。

【００２１】続くＳ１０６では、Ｓ１０２で読み込んだ
ラック軸２３の実ストローク位置Ｘｒと、Ｓ１０４で設
定したラック軸２３の目標ストローク位置Ｘｔとをもと
に、転舵モータ２２に対する制御量Ｔｗを、下記の
（１）式に基づいて設定する。なお、（１）式中、Ｃ
ｐ、Ｃｄ、Ｃｉは、該当する制御量のゲインを示すゲイ
ン係数である。

【００２２】Ｔｗ＝Ｃｐ・（Ｘｔ−Ｘｒ）＋Ｃｄ・ｄ（Ｘｔ−Ｘｒ）／ｄｔ＋Ｃｉ・∫（Ｘｔ−Ｘｒ）ｄｔ …（１）Ｓ１０６において、転舵モータ２２に対する制御量Ｔｗ
が設定された後、Ｓ１０８に進み、Ｓ１０６で設定され
た制御量Ｔｗを駆動回路２７に対して出力し、駆動回路
２７は制御量Ｔｗをもとに転舵モータ２２を駆動する。

【００２３】このような処理を繰り返し実行すること
で、操舵ハンドル１３の操舵角θ、車速Ｖに応じた車輪
２１の転舵制御が継続して実行される。

【００２４】次に制御装置３０で実施する反力モータ１
１の制御処理について、図４のフローチャートに沿って
説明する。

【００２５】このフローチャートは、イグニションスイ
ッチのオン操作によって起動する。まず、Ｓ２０２に進
んで、操舵角センサ１４で検出された操舵角θ、位置セ
ンサ２６で検出されたラック軸２３の実ストローク位置
Ｘｒをそれぞれ読み込む。

【００２６】続くＳ２０４では、Ｓ２０２で読み込まれ
た操舵角θ及び実ストローク位置Ｘｒを用い、下記
（２）式に基づいて反力モータ１１に対する制御量Ｔｈ
を設定する。なお、（２）式中、Ｋｐ、Ｋｄ、Ｋｄｄ、
Ｆｐ、Ｆｄ、Ｆｄｄは、それぞれ予め規定したゲイン係
数である。

【００２７】Ｔｈ＝Ｋｐ・θ＋Ｋｄ・ｄθ／ｄｔ＋Ｋｄｄ・ｄ²θ／ｄｔ² ＋Ｆｐ・Ｘｒ＋Ｆｄ・ｄＸｒ／ｄｔ＋Ｆｄｄ・ｄ²Ｘｒ／ｄｔ² …（２）（２）式における右辺第１項から第３項は、操舵角θに
基づく制御量を設定する項であり、第１項は操舵角θに
応じた操舵反力を付与する比例項として作用し、第２項
は操舵ハンドル１３の振動を抑制する粘性項として作用
し、第３項は反力モータ１１の慣性モーメントの影響を
抑制し、操舵ハンドル１３の切り始めの操舵感を調節す
る慣性項として作用する。

【００２８】右辺第４項から第６項は、ラック軸２３の
実ストローク位置Ｘｒに基づく制御量を設定する項であ
り、例えば図５に示すように、ラック軸２３に作用する
軸力Ｆが、車輪２１の転舵角（タイヤの切れ角）として
の実ストローク位置Ｘｒに応じて変化するため、ラック
軸２３に作用する力の影響を操舵反力に反映させる項と
して作用する。第４項は実ストローク位置Ｘｒに応じた
操舵反力を付与する比例項として作用する。また、第５
項及び第６項は、車輪２１の転舵位置の変化状態を考慮
した項となっており、第５項は変化速度に応じた操舵反
力、第６項は変化加速度に応じた操舵反力をそれぞれ付
与する項として作用する。

【００２９】このように、（２）式より、ハンドルの操
舵状態を示す操舵角θに基づく制御量と、実ストローク
位置Ｘｒに基づく制御量とをもとに、反力モータ１１に
対する制御量Ｔｈを設定する。

【００３０】続くＳ２０６では、設定した制御量Ｔｈを
駆動回路１５に対して出力し、駆動回路１５は制御量Ｔ
ｈをもとに反力モータ１１を駆動する。

【００３１】このような処理を繰り返し実行すること
で、操舵ハンドル１３の操舵状態とラック軸２３に作用
する軸力とを考慮した操舵反力を付与することができ
る。

【００３２】次に他の実施形態について説明する。

【００３３】車輪２１を転舵させる際にラック軸２３に
作用する軸力Ｆは、車輪２１と路面との間の摩擦状態の
影響を受ける。例えば、凍結路などの低μ路では、ドラ
イアスファルト路などの高μ路に比べ、転舵の際のラッ
ク軸２３に作用する軸力Ｆは小さくなる。

【００３４】そこで、車輪２１と路面との間の摩擦状態
を考慮して、反力モータ１１に対する制御量Ｔｈを設定
する実施形態について、図６のフローチャートをもとに
説明する。

【００３５】このフローチャートは、イグニションスイ
ッチのオン操作によって起動する。まず、Ｓ３０２に進
んで、操舵角センサ１４で検出された操舵角θ、横加速
度センサ４３で検出された横加速度Ｇｙをそれぞれ読み
込む。

【００３６】続くＳ３０４では、Ｓ３０２で読み込まれ
た操舵角θ及び横加速度Ｇｙをもとに、車輪２１と路面
との間の摩擦状態を示す路面μの値を推定する。具体的
には、ハンドル操作が行われた場合、そのときの操舵角
θと、車両に作用する横加速度Ｇｙとの関係が、路面μ
の大きさに応じて変化するため、図７に示すように、こ
の関係を予めマップ化しておき、操舵角θと横加速度Ｇ
ｙとをもとにマップ検索し、このときの路面μの値を推
定する。

【００３７】続くＳ３０６では、図８に示すマップをも
とに、Ｓ３０４で推定された路面μの大きさに応じて、
（２）式における右辺第４項のゲイン係数Ｆｐの値を設
定する。

【００３８】このようにして路面状態に応じたゲイン係
数Ｆｐを設定した後、先の図４で説明したフローチャー
トに沿って、（２）式をもとに反力モータ１１に対する
制御量Ｔｈを設定する。これにより、ゲイン係数Ｆｐ
は、Ｓ３０６において、路面μの低下に応じて小さな値
に設定されるため、Ｓ３０４で推定された路面μの値が
低いほど、反力モータ１１に対する制御量Ｔｈが小さな
値に設定される。従って、低μ路ほど操舵ハンドル１３
に付与される操舵反力が小さくなってハンドル操作が軽
くなるため、運転者は低μ路であることを感覚的に知る
ことができ、減速してハンドル操作を慎重に行うなど、
低μ路に応じた運転操作を実施することが可能となる。

【００３９】また、Ｓ３０６におけるゲイン係数Ｆｐの
設定処理は、図９をもとに実施することも可能である。
この場合には、路面μの値が低いほどゲイン係数Ｆｐは
大きな値に設定される。従って、Ｓ３０４で推定された
路面μの値が低いほど、反力モータ１１に対する制御量
Ｔｈが大きな値に設定されるため、低μ路ほど操舵ハン
ドル１３に付与される操舵反力が大きくなってハンドル
操作が重くなり、操舵ハンドル１３の操舵量が抑制さ
れ、この影響で車輪２１の転舵量が抑制される。この作
用により、低μ路における車両の操舵コントロール性を
確保することができる。

【００４０】また、車輪２１と路面との摩擦状態は、車
輪軸重（車輪に加わる垂直荷重）や車両重量に応じて変
化するため、ゲイン係数Ｆｐを、車輪軸重や車両重量に
応じて設定することも可能である。この場合、車輪軸重
や車両重量に応じて車高が変化するため、４輪に対応し
て設けた車高センサ４２の検出結果をもとに車輪軸重や
車両重量を検知することができる。例えば、車輪軸重Ｗ
を例に説明すると、図１０に示すように、検知した車輪
２１の車輪軸重Ｗが大きいほどゲイン係数Ｆｐが大きな
値を取るように設定する。これにより、車輪軸重Ｗが大
きいほど、反力モータ１１に対する制御量Ｔｈが大きな
値に設定されるため、操舵反力は増加してハンドル操作
は重くなり、運転者は車輪軸重Ｗの増加を感覚的に知る
ことができる。

【００４１】さらに、ゲイン係数Ｆｐの他の設定例とし
ては、図１０の傾向とは反対に、図１１に示すように、
車輪２１の車輪軸重Ｗが大きいほどゲイン係数Ｆｐが小
さな値を取るように設定することも可能であり、いずれ
のマップを備えるかは、セダンかスポーティーカーか等
の車両の性格付けとかの設計思想により適宜選定する。
例えば、車両の後方に重い荷物を搭載した場合には前輪
の車輪軸重Ｗが低下するが、このような場合、図１０を
もとにゲイン係数Ｆｐを設定することで、前輪の車輪軸
重Ｗの低下をハンドル操作が軽くなることで運転者に知
らせることができる。また、図１１をもとにゲイン係数
Ｆｐを設定することで、前輪の車輪軸重Ｗが低下した場
合にハンドル操作を重くし、車両の操舵コントロール性
を確保することができる。

【００４２】以上説明した実施形態では、路面μ、車輪
軸重Ｗなどに応じて、（２）式の右辺第４項のゲイン係
数Ｆｐを設定する場合を例示したが、右辺第５項、第６
項のゲイン係数Ｆｄ、Ｆｄｄも路面μ、車輪軸重Ｗなど
に応じて設定してもよい。この場合、路面μ、車輪軸重
Ｗなどに対する変化傾向は、ゲイン係数Ｆｐの場合と同
様とする。また、（２）式の右辺第４項、第５項、第６
項の各ゲイン係数を固定値とし、第４項〜第６項全体の
ゲイン係数を路面μや車輪軸重Ｗなどに応じて設定して
も良い。

【００４３】また、路面μの推定手法としては、例示し
た手法の他にも、例えば、加速時或いは制動時における
車輪のスリップ率をもとに推定する手法や、操舵角θ及
び車速Ｖをもとに推定した横加速度と横加速度センサ４
３によって検出した横加速度Ｇｙとの偏差をもとに推定
する手法などを採用してもよく、特に限定するものでは
ない。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、各請求項にかかる
操舵制御装置によれば、制御量設定手段では、操舵状態
に基づく制御量と転舵位置に基づく制御量とをもとに、
反力付与手段に対する制御量を設定するので、転舵軸に
作用する力を反映させた操舵反力を付与することが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】操舵制御装置の全体的な構成を示すブロック図
である。

【図２】転舵モータの駆動制御を示すフローチャートで
ある。

【図３】操舵角θ及び車速Ｖに応じた伝達比Ｇを設定す
るマップである。

【図４】反力モータの駆動制御を示すフローチャートで
ある。

【図５】実ストローク位置Ｘｒとラック軸に作用する軸
力Ｆとの関係を示す説明図である。

【図６】ゲイン係数Ｆｐの設定処理を示すフローチャー
トである。

【図７】路面μの大きさに応じ、操舵角θと横加速度Ｇ
ｙとの関係を規定したマップである。

【図８】路面μとゲイン係数Ｆｐとの関係を規定したマ
ップである。

【図９】路面μとゲイン係数Ｆｐとの関係を規定したマ
ップである。

【図１０】車輪軸重Ｗとゲイン係数Ｆｐとの関係を規定
したマップである。

【図１１】車輪軸重Ｗとゲイン係数Ｆｐとの関係を規定
したマップである。

【図１２】従来の操舵制御装置を示す構成図である。

【符号の説明】

１０…操舵機構、１１…反力モータ、１４…操舵角セン
サ、２０…転舵機構、２１…車輪（転舵輪）、２２…転
舵モータ（アクチュエータ）、２６…位置センサ、３０
…制御装置、４１…車速センサ、４２…車高センサ、４
３…横加速度センサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者杉谷伸芳愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者中野史郎大阪府大阪市中央区南船場三丁目５番８号光洋精工株式会社内Ｆターム(参考） 3D032 CC08 CC50 DA03 DA04 DA10 DA16 DA23 DA24 DA25 DA29 DA50 DA82 DC08 DD06 EA01 EB11 EB12 EC22 EC29 GG01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】操舵ハンドルの操作に応じて、転舵軸を
駆動するアクチュエータの駆動制御を行うことで、前記
転舵軸に連結された転舵輪の転舵制御を行う操舵制御装
置であって、前記操舵ハンドルの操舵状態を検知する操舵状態検知手
段と、前記転舵輪の転舵位置を検知する転舵位置検知手段と、前記操舵ハンドルに操舵反力を付与する反力付与手段
と、前記操舵状態検知手段で検知された操舵状態に基づく制
御量と前記転舵位置検知手段で検知された転舵位置に基
づく制御量とをもとに、前記反力付与手段に対する制御
量を設定する制御量設定手段とを備える操舵制御装置。
【請求項２】前記転舵位置に基づく制御量は、前記転
舵位置と転舵位置の変化状態とに基づく制御量である請
求項１記載の操舵制御装置。
【請求項３】前記転舵位置に基づく制御量を、前記転
舵輪と路面との間の摩擦状態に応じて補正する補正手段
を備える請求項１又は２記載の操舵制御装置。