JP2005067395A - 車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 操舵角速度が同じ場合には、目標転舵角にかかわらず、一定の操舵フィーリングが得られ、ドライバへ違和感を与えない車両用操舵装置を提供する。
【解決手段】 目標転舵角設定部２３は、検出された操舵角θと車速νに応じて、転舵角δに対する操舵角θの比である仮想ギア比を設定する仮想ギア比設定部２３１と、設定された仮想ギア比に基づいて目標転舵角δ_r ^*を設定する実舵転舵角設定部２３２と、操舵角速度δ'が同じとき目標実舵転舵角δ_r ^*と実舵転舵角δの差である転舵遅れ角が一定となるように、目標転舵角δ_r ^*を補正して補正目標転舵角δ_c ^*を設定する角度遅れ補正部２３３を備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ステアリングホイールの操舵角と車両状態に応じて操向輪の転舵角を可変に制御可能な車両用操舵装置の技術分野に属する。

従来の車両用操舵装置は、例えば、ステアリングホイールの操舵角速度が所定値以上、または操向輪の目標舵角と実転舵角との差が所定値以上の場合に、反力アクチュエータを駆動して操舵反力を増大させることにより、目標舵角と実転舵角との差が過大となるのを抑制している（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−３２４２６１号公報

しかしながら、上記従来技術にあっては、走行状況によっては同じ操舵角でも操舵反力が変化するため、ドライバに違和感を与えるという問題があった。

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、操舵角速度が同じ場合には、目標転舵角にかかわらず、一定の操舵フィーリングが得られ、ドライバへ違和感を与えない車両用操舵装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では、
ドライバが操舵を行う操舵手段と、
この操舵手段の操舵角を検出する操舵角検出手段と、
車両状態を検出する車両状態検出手段と、
操向輪の転舵角を変化させる転舵アクチュエータと、
検出された操舵角と車両状態に応じて目標転舵角を設定し、設定された目標転舵角に基づいて転舵アクチュエータに対し転舵角を変化させる制御指令を出力する転舵制御手段と、
を備えた車両用操舵装置において、
前記操舵手段の操舵角速度を検出する操舵角速度検出手段を設け、
前記転舵制御手段に、操舵角速度が同じとき、目標転舵角と実転舵角の差である転舵遅れ角が一定となるように、設定された目標転舵角を補正する角度遅れ補正部を設けたことを特徴とする。

本発明では、転舵遅れ角が一定となるように目標転舵角が補正されるため、ドライバの操舵角速度が同じときには、操舵角や車両状態の違いにより目標転舵角が異なる場合でも、同じの操舵フィーリングが得られ、ドライバへ違和感を与えない。

以下に、本発明の車両用操舵装置を実施する最良の形態を、実施例１〜４に基づいて説明する。

まず、構成を説明する。
図１に、実施例１の構成の一例を示す。
実施例１の車両用操舵装置は、ステアリングホイール（操舵手段）１１、トルクセンサ１２、操舵角センサ（操舵角検出手段）１３、反力アクチュエータ１４、転舵アクチュエータ１５、転舵角センサ１６、ラックアンドピニオン１７、ラック軸１８、モータドライバ１９、車両状態検知部（車両状態検出手段）１ＡおよびＥＣＵ１Ｂを有している。ＥＣＵ１Ｂとモータドライバ１９により転舵制御手段が構成されている。

ステアリングホイール１１へのドライバ入力は、トルクセンサ１２および操舵角センサ１３を用いて計測され、ＥＣＵ１Ｂへと伝えられる。操舵角センサ１３としては、例えばロータリエンコーダ等を用い、以下実舵転舵角としてピニオン軸に換算した角度を使用する。

ＥＣＵ１Ｂでは、車両状態検知部１Ａと操舵角センサ１３の入力から、反力アクチュエータ１４を用いて発生させる操舵反力と、転舵アクチュエータ１５を駆動することにより、転舵される実舵の転舵角とを決定する。転舵アクチュエータ１５としては、例えばＤＣブラシレスサーボモータを使用する。モータはピニオン軸と同軸に取り付けることもピニオン軸にギアを介して取り付けることも可能であるが、ここではピニオン軸に同軸に取り付けたものとして進む。

ＥＣＵ１Ｂは、決定した操舵反力と転舵角を実現するために、モータドライバ１９を用いて反力アクチュエータ１４の反力モータと、転舵アクチュエータ１５の転舵モータを駆動する。転舵モータにより発生された転舵トルクは、ラックアンドピニオン１７を介して、ラック軸１８をストロークさせ、実舵の転舵を実現する。

実現された実舵転舵角は、転舵角センサ１６を用いてＥＣＵ１Ｂへとフィードバックされる。転舵角センサ１６としては、例えばピニオン軸の回転に応じて回転するロータリエンコーダや、ラック軸１８のストロークセンサを用いる。このとき、それぞれのモータやセンサやコントローラは、フェール時の安全を確保するため複数個ずつあってもよい。

図２は、実施例１の車両用操舵装置の制御ブロック図である。
ドライバの入力は、ドライバ入力検知部２２の操舵角センサ１３によって観測される。車両状態検知部１Ａの例えば車速センサ２１１により検出される車速νにより、目標転舵角設定部２３の仮想ギア比設定部２３１において仮想ギア比Ｇ_Sが決定され、実舵転舵角設定部２３２へ伝達される。
ここで、「仮想ギア比」とは、実舵の転舵角に対するステアリングホイール１１の操舵角の比をいう。

車速νと仮想ギア比Ｇ_Sとの関係は、例えば図３に示すように、車速ν_Lから車速ν_Hにかけて連続的にＧ_SLからＧ_SHに変わるものとする。仮想ギア比Ｇ_Sの変化の特性は、図の実線３１、波線３２、３３または３４のように、どのような関数であってもよいが、車速νにより変化させる場合には、仮想ギア比はＧ_S（ν）とおくことができる。

この関係に従い、目標転舵角設定部２３の実舵転舵角設定部２３２において、目標実舵転舵角δ_r ^*が決定される。この目標実舵転舵角δ_r ^*は角速度補正部（角度遅れ補正部）２３３によって補正され、補正目標実舵転舵角δ_c ^*が決定される。角速度補正部２３３の詳細については後述する。

目標転舵角制御部２４においては、補正目標実舵転舵角δ_c ^*が設定されたときに、フィードフォワード部２４１と外乱オブザーバ補償部２４２により、目標電流値ｉ^*を生成する。第１モデル２４２１は、転舵角δから転舵モータトルクＴへの伝達関数を表すモデルである。第２モデル２４２２は、目標電流値ｉ^*から転舵モータトルクＴへの伝達関数を表すモデルである。また、第３モデル２４２３は、転舵モータトルクＴから目標電流値ｉ^*への伝達関数を表すモデルである。これら３つのモデルを用いて、実舵に加わる外乱ｄを推定して補償することにより、外乱からの影響を抑えている。

目標転舵角制御部２４から出力された目標電流値ｉ^*は、車両操向部２５の電流生成部２５４へ伝えられて実電流値ｉが生成され、この実電流値ｉが実舵転舵部２５３である転舵モータを駆動し、モータトルクＴ_mを発生する。モータトルクＴ_mと、例えばセルフアライニングトルクや摩擦などの外乱ｄとが、実舵に働く力であり、実舵動特性ブロック２５２により実舵転舵角δが生成される。実舵転舵角δは転舵角センサ１６により検知され、目標転舵角制御部２４へとフィードバックされる。

図４に、車両操向部２５のモデルを示す。
転舵モータに加えられた電圧Ｖは、モータ逆起電力Ｖ_ｒを差し引いたＶ_mが実質的電圧として作用し、伝達関数４１に従い、電流ｉが流れる。Ｌ_mはモータインダクタンス、Ｒ_mはモータ内部抵抗であり、モータは伝達関数４２に示すトルク定数Ｋ_TでモータトルクＴ_mを発生させる。

外乱ｄと粘性項４６が車両操向部２５に作用し、図の伝達関数４３，４４，４により、転舵角δとなるように転舵される。Ｊ_m、Ｃ_mはそれぞれ車両操向部２５のピニオン軸換算での慣性モーメント、車両操向部２５の同じくピニオン軸換算での粘性係数である。モータでは実舵転舵角速度δ^'に比例した逆起電力が発生し、伝達関数４７のモータ逆起電力係数Ｋ_mを用いて表される。

次に、作用を説明する。
［目標実舵転舵角補正作用］
転舵モータに加えられる電圧Ｖには、モータドライバ１９の性能に依存して最大限界値が存在するため、転舵角速度δ'にも最大限界値が存在し、転舵角速度δ'が大きいときには、遅れが生じる。

転舵角速度δ'は、モータの実舵に働くモータ出力と外乱ｄにより決定される。すなわち、転舵角速度δ'はモータドライバ１９の出力電圧、モータ回転角速度、セルフアライニングトルク等により決定される。セルフアライニングトルクは、路面状態、車速νと転舵角δを主とする車両状態により決定される。

図５に、実舵中立付近の操舵角速度θ^'と実舵転舵角速度δ^'との関係を示す。図の一点鎖線５１は、仮想ギア比Ｇ_SLで車速ν_Lのときの関係を示し、波線５２は、仮想ギア比Ｇ_SHで車速ν_Hのときの関係を示す。実舵中立付近の最大転舵角速度δ^' _maxは、路面条件が一定と仮定すると、路面反力により決定されるため、車速νとの関係で表すことができる。

車速ν_Lのときの最大転舵可能角速度をδ^' _Lmaxと表し、車速ν_Hのときの最大転舵可能角速度をδ^' _Hmaxと表す。操舵角速度θ^'が低いときには、操舵角速度θ^'と転舵角速度δ'の関係は仮想ギア比Ｇ_rの比率となるが、操舵角速度θ^'が高くなると、転舵角速度δ'は最大転舵角速度δ^' _maxとなる。車速ν_Lのとき転舵角速度δ^' _Lmaxとなる操舵角速度はθ^' _Lと表すことができ、車速ν_Hのとき転舵角速度δ^' _Hmaxとなる操舵角速度はθ^' _Hと表すことができる。

ステアリングホイール１の操舵角速度θ'にも、実質的な最大値が存在し、その値をθ^' _maxとする。ここで、目標実舵転舵角δ_r ^*と実舵転舵角δの差である転舵遅れ角をｄδとすると、操舵角速度θ'が最大となるのは、一方向の最大転舵角から反対方向の最大転舵角まで操舵を行ったときである。このときのｄδをｄΔとすると、ｄΔは図６に示すように、車速ν、仮想ギア比Ｇ_S、操舵角速度θ^'に従って変化する。仮想ギア比がＧ_SLで車速ν_Lのときには、一点鎖線６１の通りとなり、仮想ギア比がＧ_SHで車速ν_Hのときには、波線６２の通りとなる。θ^' _maxのときのｄΔをｄΔ_maxとし、仮想ギア比がＧ_SLのときはｄΔ_Lmax、仮想ギア比がＧ_SHのときはｄΔ_Hmaxとなる。

なお、図６の細い破線６１'、６２'で示す特性は、摩擦等による影響の全くない理想状態を表しており、実際にはそこから若干性能が劣化する。すなわち、破線６１'は、一点鎖線６１の理想状態を表しており、破線６２'は、波線６２の理想状態を表している（後述する図８、図９も同様）。

仮想ギア比Ｇ_SH、車速ν_H、操舵角速度θ^' _maxのときの転舵角速度をδ^' _Hmaxとする。このとき、図２の角速度補正部２３３において、目標実舵転舵角δ_r ^*を補正し、目標転舵角速度δ_c ^'が次の関係となるようにする場合、
δ^' _c＝δ^' _r ^* （δ^' _c≦δ^' _Hcmax）
δ^' _c＝δ^' _Hcmax （δ^' _c>δ^' _Hcmax）
図６の実線６３で操舵角速度θ^'と転舵角速度δ^'との関係を示される関係とすることができる。このときの操舵角速度θ^'と実舵転舵角速度δ^'との関係は、図５の実線５３で表される。

すなわち、転舵角速度δ'が操舵角速度θ'に追従可能な速度のときでは、車速ν_Hのときに限らず、同様に仮想ギア比Ｇ_S（ν）を用いて表すことができる。車速ν、仮想ギア比Ｇ_S（ν）で操舵角速度θ^' _Lのときの転舵角速度はＧ_S（ν）を用いて、
θ^'＝Ｇ_S（ν）×δ^'
の関係が成り立つことから、より一般的に、
δ^' _c＝θ^'／Ｇ_S（ν） （θ^' _c≦θ^' _L）
δ^' _c＝θ^' _L／Ｇ_SL （θ^' _c>θ^' _L）
と表すことができ、これを実現するように、目標実舵転舵角δ_r ^*を補正し、補正目標実舵転舵角δ_c ^*を設定する。

［従来技術との対比］
ドライバの操舵によるステアリングホイール１の操舵角θに対する実舵転舵角δの伝達比（仮想ギア比Ｇ_r）を可変に制御するとき、仮想ギア比Ｇ_rが低いときに仮想ギア比Ｇ_rが高いときと同じ角速度でドライバが操舵を行うことを想定した場合、仮想ギア比Ｇ_rが高いときと比較して、より早い角速度で実舵を転舵させなければならない。そのため、図６に示したように、仮想ギア比Ｇ_rが低いときには、仮想ギア比Ｇ_rが高いときと比較して、転舵遅れ角ｄΔが大きくなり、ドライバに違和感を与える。

従来技術（特許文献１）では、操舵角速度θ'が所定値以上である場合や、目標実舵転舵角と実舵転舵角との差が所定値以上である場合に、操舵反力発生機構を用いて操舵反力を増大させているため、走行状況によっては、同じ操舵角でも操舵反力に変化することで、ドライバに違和感を与えてしまう。

これに対して、実施例１では、検出された操舵角速度θ'が、目標実舵転舵角δ_r ^*と実舵転舵角δとの差である転舵遅れ角ｄΔが発生するθ'_Lを超えたとき、角速度補正部２３３において、目標転舵角速度δ'_cが（θ^' _L／Ｇ_SL）、すなわちδ'_Lmaxとなるように目標実舵転舵角δ_r ^*が補正されるため、仮想ギア比Ｇ_rの違いに起因して転舵遅れ角ｄΔに差異が生じるのを抑制でき、ドライバへ与える違和感を低減できる。

実施例２の車両用操舵装置では、角速度補正部２３３における補正目標実舵転舵角δ_c ^*の設定方法が実施例１と異なる。

すなわち、図７において、
δ^' _c＝θ^'／Ｇ_S（ν） （θ^' _c≦θ^' _L）
δ^' _c＝θ^'／Ｇ_S（ν）＋（θ^'／Ｇ_SL−δ^' _Lmax） （θ^' _c>θ^' _L）
とおくことで、操舵角速度θ'と実舵転舵角速度δ'の関係は、図７の実線７３で示されるものとなり、操舵角速度θ'と転舵遅れ角ｄΔの関係は、図８の実線８３に示されるものとなる。図７の波線７１，７２は、図５に示す波線５１，５２と同等であり、仮想ギア比がＧ_SLで車速ν_Lのとき、および仮想ギア比がＧ_SHで車速ν_Hのときの、操舵角速度θ'と実舵転舵角速度δ'との関係を示す。

なお、図７の上下方向の両矢印７４，７５およびその矢印に付された○印７６，７７は、以下を意味する。上側の矢印７４は、車速の低いときの目標転舵角速度（上側の波線）と実際に操舵可能な転舵角速度（波線７１）の差を示している。下側の矢印７５は、車速の高いときの目標転舵角速度（波線７２）につながる破線と実際に操舵する転舵角速度（実線７３）の差を表しており、これら２つの大きさが一致するように、高速時の転舵角速度（実線７３）を設定する。

図８の波線８１，８２は、図６に示す波線６１，６２と同等であり、仮想ギア比がＧ_SL、車速ν_Lのとき、および仮想ギア比がＧ_SH、車速ν_Hのときのθ^'とｄδの関係を示す。

すなわち、実施例２の車両用操舵装置にあっては、検出された操舵角速度θ'がθ'_Lを超えたとき、目標転舵角速度と実転舵角速度δ'との差が、仮想ギア比Ｇ_rが最小のときの目標転舵角速度と実転舵角速度δ'との差と一致する目標転舵角速度δ'となるよう、目標実舵転舵角δ_r'を補正するため、仮想ギア比Ｇ_rの違いにより転舵遅れ角ｄΔに差異が生じるのを抑制でき、ドライバへ与える違和感を低減できる。

実施例３は、図５の５１で示される操舵角速度θ'と実舵転舵角速度δ'の関係を、あらかじめ実験的にデータで得ておき、これを角速度補正部２３３に記憶させておくものである。角速度補正部２３３では、補正目標実舵転舵角δ_c ^*を設定する際に、これを読み込むことで、操舵角θから仮想ギア比がＧ_SLであった場合の転舵角δと転舵遅れ角速度ｄδ'を容易に推定することができる。そして、角速度補正部２３３で補正目標実舵転舵角δ_c ^*を、

とすることにより、仮想ギア比Ｇ_SLのときの転舵遅れ角ｄδを再現することができる。

すなわち、実施例３の車両用操舵装置にあっては、仮想ギア比がＧ_SLのときの操舵角速度θ'に対する目標転舵角速度δ'および最大転舵可能角速度δ'_Lmaxをあらかじめ記憶しておくことで、仮想ギア比Ｇ_SLのときの転舵遅れ角ｄδを容易に推定でき、角度補正部２３３で補正目標実舵転舵角δ_c ^*を設定する際の演算負荷軽減と、演算時間の短縮化を達成できる。

実施例４では、操舵角速度ゼロからθ'_maxに至るまで徐々に転舵遅れ角ｄΔが変化するような目標転舵角速度δ_c'を設定する点で実施例１〜３と異なる。

図９において、操舵角速度θ^'と転舵遅れ角ｄΔの関係が一点鎖線９１となるとき、操舵角速度θ^'がθ^' _Lとなるところで急激に転舵遅れ角ｄΔが増加している。そこで、実施例４では、実線９３に示すように、操舵角速度θ'と、目標実舵転舵角δ_c ^'と実舵転舵角速度δ^'の差との関係に急激な変化を持たせないようにしている。

この関係を、例えば車速νにより変化するとように設定した場合、関数Ｅを用いて、
ｄΔ＝Ｅ（ν,θ^' _max）
とおくことができる。このとき、転舵遅れ角速度ｄδ^'を求めることができ、上述の(1)式を用いて目標実舵転舵角δ_r ^*を補正することにより、一定の操舵フィーリングを実現することができる。なお、目標とする関数は、図９の波線９４または９５のような関数としてもよい。

すなわち、実施例４の車両用操舵装置にあっては、操舵角速度θ'に対し、転舵遅れ角ｄΔに急激な変化を持たせないような補正実舵転舵角δ_c ^*を設定することにより、ドライバへ与える違和感を低減できる。

（他の実施例）
以上、本発明を実施する最良の形態を、実施例１〜４に基づいて説明したが、本発明の具体的な構成は、実施例１〜４に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。

例えば、実施例１〜４では、ステアバイワイヤシステムで本発明の構成を実現しているが、本発明は、電動パワーステアリングシステムと可変ギアシステムを組み合わせた構成でも実現できる。すなわち、仮想ギア比を任意に変化させることができる操舵機構であれば、どのような構成であっても本発明を実現できる。

車両用操舵装置の構成図である（実施例１）。 車両用操舵装置の制御ブロック図である（実施例１）。 車速と仮想ギア比との関係を示す図である。 車両操向部のモデルである。 操舵角速度と実舵転舵角速度との関係を示す図である（実施例１）。 操舵角速度と転舵遅れ角との関係を示す図である（実施例２）。 操舵角速度と実舵転舵角速度との関係を示す図である（実施例１）。 操舵角速度と転舵遅れ角との関係を示す図である（実施例２）。 操舵角速度と転舵遅れ角との関係を示す図である（実施例４）。

符号の説明

１Ａ 車両状態検知部
１Ｂ ＥＣＵ
１１ ステアリングホイール
１２ トルクセンサ
１３ 操舵角センサ
１４ 反力アクチュエータ
１５ 転舵アクチュエータ
１６ 転舵角センサ
１７ ラックアンドピニオン
１８ ラック軸
１９ モータドライバ
２１ 車両状態検知部
２１１ 車速センサ
２２ ドライバ入力検知部
２３ 目標転舵角設定部
２３１ 仮想ギア比設定部
２３２ 実舵転舵角設定部
２３３ 角速度補正部
２４ 目標転舵角制御部
２４１ フィードフォワード部
２４２ 外乱オブザーバ補償部
２４２１ モデル１
２４２２ モデル２
２４２３ モデル３
２５ 車両操向部
２５２ 実舵動特性ブロック
２５３ 実舵転舵部
２５４ 電流生成部

Claims (6)

1. ドライバが操舵を行う操舵手段と、
   この操舵手段の操舵角を検出する操舵角検出手段と、
   車両状態を検出する車両状態検出手段と、
   操向輪の転舵角を変化させる転舵アクチュエータと、
   検出された操舵角と車両状態に応じて目標転舵角を設定し、設定された目標転舵角に基づいて転舵アクチュエータに対し転舵角を変化させる制御指令を出力する転舵制御手段と、
   を備えた車両用操舵装置において、
   前記操舵手段の操舵角速度を検出する操舵角速度検出手段を設け、
   前記転舵制御手段に、操舵角速度が同じとき、目標転舵角と実転舵角の差である転舵遅れ角が一定となるように、設定された目標転舵角を補正する角度遅れ補正部を設けたことを特徴とする車両用操舵装置。
2. 請求項１に記載の車両用操舵装置において、
   前記転舵制御手段に、
   検出された操舵角と車両状態に応じて、転舵角に対する操舵角の比である仮想ギア比を設定する仮想ギア比設定部と、
   設定された仮想ギア比に基づいて目標転舵角を設定する実舵転舵角設定部と、
   を設け、
   前記角度遅れ補正部は、仮想ギア比最小のときの転舵遅れ角に基づいて目標転舵角を補正することを特徴とする車両用操舵装置。
3. 請求項２に記載の車両用操舵装置において、
   前記角度遅れ補正部は、検出された操舵角速度が、転舵遅れ角が発生する操舵角速度しきい値を超えたとき、
   設定された目標転舵角の転舵角速度が、仮想ギア比最小のときの前記操舵角速度しきい値に対する転舵角速度と一致するように目標転舵角を補正することを特徴とする車両用操舵装置。
4. 請求項２に記載の車両用操舵装置において、
   前記角度遅れ補正部は、検出された操舵角速度が、転舵遅れ角が発生する操舵角速度しきい値を超えたとき、
   設定された目標転舵角での転舵角速度と最大転舵可能角速度との差が、仮想ギア比最小のときの転舵角速度と最大転舵可能角速度との差と一致するように目標転舵角を補正することを特徴とする車両用操舵装置。
5. 請求項３または請求項４に記載の車両用操舵装置において、
   前記角度遅れ補正部は、仮想ギア比最小のときの操舵角速度に対する目標転舵角速度および最大転舵可能角速度があらかじめ設定されたデータを有することを特徴とする車両用操舵装置。
6. 請求項２に記載の車両用操舵装置において、
   前記角度遅れ補正部は、操舵角速度が大きくなるに従って、転舵遅れ角が徐々に大きくなるように目標転舵角を補正することを特徴とする車両用操舵装置。

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