JP2002046636A - 車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】過剰制御に起因する振動または発振を抑制する
ことができる車両用操舵装置を提供する。 【解決手段】舵取り制御部３３は、目標転舵角δ^*と実
転舵角δとの偏差Δδに基づいて操舵用アクチュエータ
２を制御する。舵取り制御部３３の制御ゲインは、制御
ゲイン設定部３５によって可変される。ゲイン設定部３
５は、偏差Δδの符号が一定以上の頻度で変化する場合
に、過剰制御に起因する発振が生じているものと見なし
て、制御ゲインを減少させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、たとえば、ステ
アリングホイールなどの操作部材の操作に対する舵取り
車輪の転舵の関係を変更しうる車両用操舵装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ステアリングホイールと舵取り車輪を転
舵するための舵取り機構との機械的な結合を無くし、ス
テアリングホイールの操作方向および操作量を検出する
とともに、その検出結果に基づいて、舵取り機構のラッ
ク軸に電動モータ等のアクチュエータからの駆動力を与
えるようにした車両用操舵装置（いわゆる、ステア・バ
イ・ワイヤ・システム）が提案されている（たとえば、
特開平９−１４２３３０号公報参照）。

【０００３】このような構成を採用することにより、舵
取り機構とステアリングホイールとを機械的に連結する
必要がないので、衝突時におけるステアリングホイール
の突き上げを防止できるとともに、舵取り機構の構成を
簡素化および軽量化することができる。また、ステアリ
ングホイールの配設位置の自由度が増し、さらには、ス
テアリングホイール以外のレバーまたはペダル等の他の
操作部材の採用をも可能とすることができる。

【０００４】上記のような構成の車両用操舵装置におい
ては、ステアリングホイールの操作と舵取り機構の動作
との関係を電気的制御によって、自由に変更することが
できるので、車両の運転性能を飛躍的に向上できるもの
と期待されている。たとえば、ステアリングホイールの
操作トルクまたは操作角に対応する目標ヨーレートまた
は目標横加速度を求め、これらに基づいて舵取り機構の
動作を制御することによって、車両の姿勢制御を行うこ
とができ、操舵に対する車両の運動特性を最適化でき
る。

【０００５】舵取り機構の目標転舵角は、ステアリング
ホイールの操作角に基づいて目標横加速度および目標ヨ
ーレートを求め、これらに対応した値に定められる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のような車両用操
舵装置においては、乾燥アスファルト路における応答性
を高める目的で、制御ゲインが可能な限り高く設定され
る。しかし、この状態で雪路面などの低μ路を走行する
と、過剰制御状態となって、振動または発振が生じる場
合があった。この問題は、ステア・バイ・ワイヤ・シス
テムに限らず、ステアリングホイールと舵取り機構との
間のギア比が可変なＶＧＳ（バリアブル・ギアレシオ・
ステアリング）システムにおいても、同様に生じてい
た。

【０００７】そこで、この発明の目的は、上述の技術的
課題を解決し、過剰制御に起因する振動または発振を抑
制することができる車両用操舵装置を提供することであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段および発明の効果】上記の
目的を達成するための請求項１記載の発明は、車両の操
向のための操作部材（１）の操作に応じて舵取り機構
（２，３）を駆動する車両用操舵装置であって、上記操
作部材の操作に応じた目標転舵角を演算する目標転舵角
演算手段（３１，３２）と、舵取り車輪の実転舵角を検
出する転舵角検出手段（１３）と、上記目標転舵角演算
手段によって演算された目標転舵角と上記転舵角検出手
段によって検出される実転舵角との偏差に基づいて上記
舵取り機構を駆動する舵取り制御手段（２０，３３）
と、上記目標転舵角と実転舵角との大小関係が所定時間
内に所定回数以上反転する場合に、上記舵取り制御手段
の制御ゲインを減少させる制御ゲイン設定手段（３５）
とを含むことを特徴とする車両用操舵装置である。な
お、括弧内の数字は、後述の実施形態における対応構成
要素等を表す。

【０００９】前記操作部材と舵取り機構との間には機械
的な結合が無く、操作部材の操作に対応して舵取り機構
が電気的に制御されるようになっていることが好まし
い。また、目標転舵角と実転舵角との大小関係の反転
は、目標転舵角と実転舵角との偏差の符号の反転を調べ
ることによって検出できる。上記の構成によれば、目標
転舵角と実転舵角との大小関係が所定の頻度以上で反転
する場合に、舵取り制御手段の制御ゲインが小さく設定
される。目標転舵角と実転舵角との大小関係が高頻度で
反転する場合には、過剰制御に起因する発振状態である
と考えられる。そこで、この発明では、そのような状況
のときに、舵取り制御の制御ゲインを減少することによ
って、適正制御状態へと導くこととしている。

【００１０】制御ゲインの変更は、ステアリングホイー
ルなどの操作部材の操作角に対する舵取り機構の転舵角
の比（ギア比）を変化させることによって行われてもよ
い。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下では、この発明の実施の形態
を、添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、この
発明の一実施形態に係る車両用操舵装置の基本的な構成
を説明するための概念図である。この車両用操舵装置
は、いわゆるステア・バイ・ワイヤ・システムであっ
て、ステアリングホイール（操作部材）１の回転操作に
応じて駆動される操舵用アクチュエータ２の動作をステ
アリングギア３によって前部左右車輪４（舵取り車輪）
の転舵運動に変換することによって、ステアリングホイ
ール１とステアリングギア３とを機械的に連結すること
なく、操舵を達成している。この場合に、操舵用アクチ
ュエータ２およびステアリングギア３などにより、舵取
り機構が構成されている。

【００１２】操舵用アクチュエータ２は、たとえば公知
のブラシレスモータ等の電動モータにより構成すること
ができる。ステアリングギア３は、操舵用アクチュエー
タ２の出力シャフトの回転運動をステアリングロッド７
の軸方向（車幅方向）の直線運動に変換する運動変換機
構（ボールねじ機構など）を有する。ステアリングロッ
ド７の運動は、タイロッド８を介してナックルアーム９
に伝達され、このナックルアーム９の回動を引き起こ
す。これにより、ナックルアーム９に支持された車輪４
の転舵が達成される。

【００１３】ステアリングホイール１は、車体に対して
回転可能に支持された回転シャフト１０に連結されてい
る。この回転シャフト１０には、ステアリングホイール
１に操舵反力を与えるための反力アクチュエータ１９が
付設されている。具体的には、反力アクチュエータ１９
は、回転シャフト１０と一体の出力シャフトを有するブ
ラシレスモータ等の電動モータにより構成することがで
きる。回転シャフト１０のステアリングホイール１とは
反対側の端部には、渦巻きばねなどからなる弾性部材３
０が車体との間に結合されている。この弾性部材３０
は、反力アクチュエータ１９がステアリングホイール１
にトルクを付加していないときに、その弾性力によっ
て、ステアリングホイール１を直進操舵位置に復帰させ
る。

【００１４】ステアリングホイール１の操作入力値を検
出するために、回転シャフト１０の回転角に対応する操
作角δhを検出するための操作角センサ１１が設けられ
ている。また、回転シャフト１０には、ステアリングホ
イール１に加えられた操作トルクＴを検出するためのト
ルクセンサ１２が設けられている。操作角センサ１１
は、たとえば、ステアリングホイール１が中立位置（直
進操舵位置）から右方向に操舵された右方向操舵位置に
あるときには正の値の検出値を出力し、ステアリングホ
イール１が中立位置から左方向に操舵された左方向操舵
位置にあるときには負の値の検出値を出力する。

【００１５】一方、操舵用アクチュエータ２の出力値を
検出するための出力値センサとして、車輪４の転舵角δ
を検出する転舵角センサ１３が設けられている。この転
舵角センサ１３は、操舵用アクチュエータ２によるステ
アリングロッド７の作動量を検出するポテンショメータ
などで構成することができる。転舵角δは、たとえば、
舵取り車輪４が右方向に切られている状態のときに正の
値をとり、舵取り車輪４が左方向に切られているときに
負の値をとる。

【００１６】操作角センサ１１、トルクセンサ１２およ
び転舵角センサ１３は、コンピュータを含むステアリン
グ系制御装置２０（舵取り制御手段）に接続されてい
る。この制御装置２０には、さらに、車両の横加速度Ｇ
yを検出するための横加速度センサ１５と、車両のヨー
レートγを検出するヨーレートセンサ１６と、車速Ｖを
検出する速度センサ１４とが接続されている。なお、横
加速度Ｇyおよびヨーレートγに相関する変量として、
操作角δhと車速Ｖ以外に、たとえば、車輪速を検出す
るセンサを制御装置２０に接続してもよい。

【００１７】制御装置２０は、駆動回路２２，２３を介
して操舵用アクチュエータ２と反力アクチュエータ１９
とを制御する。図２は、制御装置２０の制御内容を説明
するためのブロック図である。制御装置２０は、コンピ
ュータによるプログラム処理によって、図２に示された
各機能部の動作を実現する。図中の記号について説明す
ると、Ｇyは横加速度センサ１５によって検出される車
両の横加速度、Ｇy^*は横加速度の目標値、γはヨーレー
トセンサ１６によって検出される車両のヨーレート、δ
は転舵角センサ１３によって検出される舵取り機構の転
舵角、δ^*は転舵角の目標値、δhは操作角センサ１１に
よって検出される操作角、Ｖは速度センサ１４によって
検出される車速、Ｔはトルクセンサ１２によって検出さ
れる操作トルク、Ｔ^*は操作トルクの目標値、ｉ^*は操舵
用アクチュエータ２の駆動電流の目標値、ｉh^*は反力ア
クチュエータ１９の駆動電流の目標値を示す。

【００１８】目標横加速度演算部３１は、操作角δhに
基づいて、Ｇy^*＝Ｋ１・δhにより、目標横加速度Ｇy^*
を求める。Ｋ１は、操作角δhに対する目標横加速度Ｇy
^*のゲインであり、最適な制御を行えるように調整され
る。発生可能な横加速度は車速が小さくなると小さくな
るので、ゲインＫ１は車速Ｖの関数とされている。一
方、操作角センサ１１が検出する操作角δhに基づき、
目標トルク演算部２５によって目標トルクＴ^*が求めら
れる。具体的には、目標トルクＴ^*は、Ｔ^*＝Ｋ２・δh
（ただし、Ｋ２は、操作角δhに対する目標トルクＴ^*の
ゲインである。）として定められる。この目標トルクＴ
^*に対する操作トルクＴの偏差（Ｔ^*−Ｔ）が求められ、
これに基づいて、反力アクチュエータ制御部２６は、反
力アクチュエータ１９の目標駆動電流ｉh^*を設定する。
この目標駆動電流ｉh^*は、ｉh^*＝Ｇ４・（Ｔ^*−Ｔ）に
より定められる。ただし、Ｇ４は、伝達関数であり、た
とえば、Ｇ４＝Ｋｄ（１＋１／（Ｔd・ｓ））とされ
る。Ｋｄはゲイン、Ｔｄは時定数、ｓはラプラス演算子
である。

【００１９】目標転舵角δ^*を求める目標転舵角演算部
３２は、横加速度に基づく目標転舵角δ_G ^*と、ヨーレー
トに基づく目標転舵角δγ^*とを加算して、目標転舵角
δ^*＝δ_G ^*＋δγ^*を求める。横加速度に基づく目標転舵
角δ_G ^*は、目標横加速度Ｇy^*に対する実際の車両５０の
横加速度Ｇyの偏差（Ｇy^*−Ｇy）および伝達関数Ｇ１に
より、δ_G ^*＝Ｇ１・（Ｇy^*−Ｇy）として求められる。
これに対して、ヨーレートに基づく目標転舵角δγ
^*は、車両５０の実際のヨーレートγと車速Ｖとの積算
値γ・Ｖの目標横加速度Ｇy^*に対する偏差（Ｇy^*−γ・
Ｖ）を求め、この偏差と伝達関数Ｇ２とによって、δγ
^*＝Ｇ２・（Ｇy^*−γ・Ｖ）として求められる。目標ヨ
ーレートγ^*と目標横加速度Ｇy^*との間には、γ^*Ｖ＝Ｇ
y^*なる関係が成立するので、前述の偏差（Ｇy^*−γ・
Ｖ）＝（γ^*−γ）Ｖは、目標ヨーレートγ^*に対する実
際のヨーレートγの偏差に対応している。

【００２０】こうして求められた目標転舵角δ^*に基づ
き、舵取り制御部３３は、操舵用アクチュエータ２の駆
動制御を実行する。具体的には、舵取り制御部３３は、
目標転舵角δ^*に対する実際の転舵角δの偏差（δ^*−
δ）を求め、この偏差（δ^*−δ）と伝達関数Ｇ３とを
用いて、目標駆動電流ｉ^*＝Ｇ３・（δ^*−δ）を求め、
この目標駆動電流ｉ^*に基づいて、操舵用アクチュエー
タ２をフィードバック制御する。

【００２１】前述の伝達関数Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３は、たと
えば、それぞれ、下記第(1)式、第(2)式および第(3)式
のように定められる。

【００２２】

【数１】

【００２３】制御ゲインＫａ，Ｋｂ，Ｋｃおよび時定数
Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃは、最適な制御を行えるように適切に
調整されるのであるが、とくに、この実施形態では、路
面状態（摩擦係数の高低など）に応じた適切な制御を行
うために、目標転舵角δ^*と実際の転舵角δとの偏差に
対する目標駆動電流ｉ^*の制御ゲイン（舵取り機構の駆
動制御のための制御ゲイン）Ｋｃを設定するための制御
ゲイン設定部３５が設けられている。

【００２４】制御ゲイン設定部３５は、目標転舵角δ^*
と転舵角センサ１３によって検出される実転舵角δとの
偏差である偏差Δδが入力される反転頻度検出部３５１
を備えている。この反転頻度検出部３５１は、偏差Δδ
の符号が正負反転する頻度を検出するものであって、所
定時間Δｔ（たとえば、１秒以内）に偏差Δδの符号が
所定回数（たとえば、５回）以上反転するかどうかを検
出する。この反転頻度検出部３５１による検出結果は、
制御ゲイン設定部３５２に与えられるようになってい
る。

【００２５】図３は、制御ゲイン設定部３５の働きを説
明するためのフローチャートである。制御ゲイン設定部
３５は、一定の制御周期（たとえば、１０ミリ秒）ごと
に繰り返されるステップＳ１〜Ｓ６の処理を実行する。
制御ゲイン設定部３５は、まず、前回の制御周期におけ
る上記偏差Δδｐと今回の制御周期における偏差Δδと
の積Δδｐ・Δδを求め、この積Δδｐ・Δδが負の値
（好ましくは、負の一定値−α未満（αは正の値）であ
るかどうかを判断する（ステップＳ１）。この積の値Δ
δｐ・Δδが負の値をとれば、前回の制御周期と今回の
制御周期において、偏差Δδの符号が反転したことを意
味する。上記の積の値Δδｐ・Δδの値が負の値（好ま
しくは、負の一定値−α未満）であれば（ステップＳ１
のＹＥＳ）、反転回数カウント値Ｃが＋１だけインクリ
メントされる（ステップＳ２）。

【００２６】この反転カウント値Ｃが所定値ＴＨ（たと
えば、ＴＨ＝５）に達したかどうかがさらに判定され
（ステップＳ３）、反転回数カウント値Ｃが上記所定値
ＴＨに達すると、所定時間Δｔが経過したかどうかが判
断される（ステップＳ４）。この所定時間Δｔが経過す
るよりも前に、反転回数カウント値Cが所定値ＴＨに達
すると（ステップＳ４のＮＯ）、舵取り制御部３３の制
御ゲインＫｃが、たとえば、所定値ΔＫだけ減少させら
れ（ステップＳ５）、さらに、上記所定時間Δｔのタイ
ムアウトを検出するためのタイムカウント値ｔおよび反
転回数カウント値Ｃがリセットされる（ステップＳ
６）。これに対して、上記所定時間Δｔの経過時までに
（タイムカウント値ｔがΔｔに達するまでに）反転回数
カウント値Cが所定値ＴＨに達しなければ（ステップＳ
４のＹＥＳ）、制御ゲインを変更することなく、タイム
カウント値ｔをリセットし、さらに、反転回数カウント
値Ｃをリセットする（ステップＳ６）。この場合には、
舵取り制御部３３の制御ゲインＫｃが変更されることは
ない。

【００２７】反転回数カウント値Ｃが所定値ＴＨを超え
ていなければ（ステップＳ３のＮＯ）、当該制御周期に
おいては、タイムカウント値ｔおよび反転回数カウント
Ｃのリセットが行われることがなく、また、制御ゲイン
Ｋｃが変更されることもない。図４は、目標転舵角δ^*
と転舵角センサ１３によって検出される実転舵角δとの
時間変化の一例を示す図である。雪路面などのような低
μ路を走行しているときには、舵取り制御部３３の制御
ゲインＫｃが大きく設定されていると、制御が過剰とな
り、実転舵角δは目標転舵角δ^*の値を中心に短い周期
で振動することになる。その結果、偏差Δδは、短い周
期で、すなわち、所定以上の頻度でその符号が正負反転
することになる。この状態が、図３のステップＳ１〜Ｓ
４の処理によって検出され、ステップＳ５の処理によ
り、舵取り制御部３３の制御ゲインＫｃが減少させられ
る。これによって、実転舵角δの発振状態が抑制され、
路面状態に応じた適正な制御ゲインに設定されることに
なる。

【００２８】以上のように、この実施形態によれば、目
標転舵角δ^*と実転舵角δとの大小関係（偏差Δδの符
号）が所定の頻度以上で反転する場合には、このような
状態が収まるまで舵取り制御部３３の制御ゲインが徐々
に下げられる。これによって、舵取り制御部３３の制御
ゲインは、路面状態に応じた適切な値に設定されること
になる。その結果、振動または発振を効果的に抑制する
ことができる。偏差Δδの符号の反転を過敏に検出しな
いようにするためには、ステップＳ１において、Δδｐ
・Δδが一定の負の値−α未満かどうかを判断するよう
にすればよい。

【００２９】以上、この発明の一実施形態について説明
したが、この発明は、他の形態で実施することも可能で
ある。たとえば、舵取り機構の制御は、ＰＩ（比例積
分）制御、Ｐ（比例）制御、ＰＤ（比例微分）制御およ
びＰＩＤ（比例積分微分）制御などの任意の制御則を用
いて行える。また、上記の実施形態では、制御ゲインＫ
ｃの変更を例にとって説明したが、この制御ゲインＫｃ
とともに、他の制御ゲインＫａ，Ｋｂの変更も行うよう
にしてもよい。

【００３０】さらに、この発明は、上述のようなステア
・バイ・ワイヤ・システムに限らず、操作部材の操作角
と舵取り機構の転舵角との対応関係を変更することがで
きる車両用操舵装置に対して広く適用することができ
る。たとえば、操作部材の操作角に対する舵取り機構の
転舵角の比（ギア比）が可変なシステムにおいては、こ
のギア比を変更することによって、制御ゲインの変更が
可能になる。また、上述の実施形態では、四輪車両の２
つの車輪が舵取り車輪として転舵可能な場合について説
明したが、４つの車輪の全てが転舵される四輪操舵シス
テムにこの発明を適用してもよい。

【００３１】また、上述の実施形態では、操作部材とし
てステアリングホイールが用いられる例について説明し
たが、この他にも、レバーやペダルなどの他の操作部材
が用いられてもよい。これらの他にも、特許請求の範囲
に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが
可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態に係る車両用操舵装置の
基本的な構成を説明するための概念図である。

【図２】舵取り制御の内容を説明するためのブロック図
である。

【図３】舵取り制御のための制御ゲイン設定処理を説明
するためのフローチャートである。

【図４】目標転舵角と転舵角センサによって検出される
実転舵角との時間変化の一例を示す図である。

【符号の説明】

１ ステアリングホイール ２ 操舵用アクチュエータ １１ 操作角センサ １２ トルクセンサ １３ 転舵角センサ １４ 速度センサ １５ 横加速度センサ １６ ヨーレートセンサ ２０ ステアリング系制御装置 ３３ 舵取り制御部 ３５ 制御ゲイン設定部 ３５１ 反転頻度検出部 ３５１ ゲイン設定部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 瀬川 雅也 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 (72)発明者 葉山 良平 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 CC01 DA03 DA04 DA15 DA23 DA29 DA33 DD05 EB04 EB05 EB16 EB17

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】車両の操向のための操作部材の操作に応じ
   て舵取り機構を駆動する車両用操舵装置であって、 上記操作部材の操作に応じた目標転舵角を演算する目標
   転舵角演算手段と、 舵取り車輪の実転舵角を検出する転舵角検出手段と、 上記目標転舵角演算手段によって演算された目標転舵角
   と上記転舵角検出手段によって検出される実転舵角との
   偏差に基づいて上記舵取り機構を駆動する舵取り制御手
   段と、 上記目標転舵角と実転舵角との大小関係が所定時間内に
   所定回数以上反転する場合に、上記舵取り制御手段の制
   御ゲインを減少させる制御ゲイン設定手段とを含むこと
   を特徴とする車両用操舵装置。