JP2006062624A

JP2006062624A - 車両用操舵装置

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Publication number: JP2006062624A
Application number: JP2004250983A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Kato; 裕介加藤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-08-30
Filing date: 2004-08-30
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2024-08-30
Also published as: CN1743216A; DE102005041086A1; JP4379261B2; DE102005041086B4; CN100418829C; US20060047391A1; US7617033B2

Abstract

【課題】ステア・バイ・ワイヤシステムにおいて、縁石等により操向輪が切り増し側に転舵不能となった場合に、転舵角指令値が過大となるのを回避し、転舵アクチュエータの過熱を防止する。
【解決手段】車両の操向輪を転舵させるステアリング機構と、ステアリング機構と機械的に切り離されたハンドルと、操向輪の状態に応じた反力指令値に基づいてハンドルに操舵反力を与える反力アクチュエータ６と、ハンドル角度に応じた転舵角指令値に基づいてステアリング機構を駆動する転舵アクチュエータ７とを有する車両用操舵装置において、操舵反力コントロールユニット１０は、反力指令値に基づいて転舵角補正値を設定する転舵角補正値設定部１０ｃと、転舵角指令値から転舵角補正値を減算する転舵角指令値補正手段とを備え、転舵角補正値設定部１０ｃは、反力指令値が大きいほど、転舵角補正値を大きくする。
【選択図】図２

Description

本発明は、操作入力手段と舵取り機構とが機械的に切り離された、いわゆるステア・バイ・ワイヤシステムを採用した車両用操舵装置の技術分野に属する。

従来のステア・バイ・ワイヤシステムでは、ハンドルの操舵角に応じた電流指令値により転舵アクチュエータを駆動し、操向輪の転舵角制御を行っている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１９１９３７号公報

しかしながら、上記従来技術にあっては、据え切り時に操向輪が縁石に乗り上げた場合等、操向輪が切り増し側に転舵不能となったとき、ハンドルの操舵角に操向輪の転舵角を追従させようとするため、転舵アクチュエータに過大な電流指令値が出力され、モータやその駆動回路が過熱す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、転舵アクチュエータの過熱を防止できる車両用操舵装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明では、
車両の操向輪を転舵させる舵取り機構と、
この舵取り機構と機械的に切り離された操作入力手段と、
前記操向輪の状態に応じた反力指令値に基づいて、前記操作入力手段に操舵反力を与える反力アクチュエータと、
前記操作入力手段の操舵角に応じた転舵角指令値に基づいて、前記舵取り機構を駆動する転舵アクチュエータと、
を有する車両用操舵装置において、
前記反力指令値に基づいて転舵角補正値を設定する転舵角補正値設定手段と、
前記転舵角指令値から転舵角補正値を減算する転舵角指令値補正手段と、
を備え、
前記転舵角補正値設定手段は、前記反力指令値が大きいほど、転舵角補正値を大きくすることを特徴とする。

本発明にあっては、反力アクチュエータの反力指令値が大きいほど、転舵アクチュエータの転舵角指令値がより小さな値に補正される。よって、縁石等により操向輪が切り増し側に転舵不能となった場合に、転舵角指令値が過大となるのが回避され、転舵アクチュエータの過熱を防止できる。

以下に、本発明の車両用操舵装置を実施するための最良の形態を、実施例１，２に基づいて説明する。

まず、構成を説明する。
図１は、実施例１の車両用操舵装置が適用されたステア・バイ・ワイヤシステムを示す全体構成図である。

実施例１装置は、ハンドル（操作入力手段）１と、操向輪２，２と、ステアリング機構（舵取り機構）３と、コラムシャフト４と、操舵角センサ５と、反力アクチュエータ６と、転舵アクチュエータ７と、転舵角センサ８と、フォースセンサ９と、操舵反力コントロールユニット１０と、転舵コントロールユニット１１と、を備えている。

ハンドル１が連結されたコラムシャフト４には、ハンドル１に入力される運転者操舵角であるハンドル角度を検出する操舵角センサ５と、ハンドル１に操舵反力を与える反力アクチュエータ６とが設けられている。反力アクチュエータ６としては、例えば、DCブラシレスモータが用いられ、モータの出力軸が減速器を介してコラムシャフト４に連結されている。

ステアリング機構３には、ステアリング機構３を駆動する転舵アクチュエータ７と、転舵アクチュエータ７の作動角度（モータ回転角）を検出する転舵角センサ８とが設けられている。また、ステアリング機構３のラック軸には、路面反力（ラック軸力）を検出するフォースセンサ９が設けられている。転舵アクチュエータ７は、反力アクチュエータ６と同様、DCブラシレスモータが用いられ、モータの出力軸が減速器を介してラック軸と連結されている。

操舵反力コントロールユニット１０は、操舵角センサ５からのハンドル角度と、フォースセンサ９からの路面反力とに基づき、反力アクチュエータ６の反力指令値を算出する。そして、操舵反力コントロールユニット１０は、算出した反力指令値に応じた電流指令値を、反力アクチュエータ６に出力する。

転舵コントロールユニット１１は、操舵角センサ５のハンドル角度に基づき、転舵アクチュエータ７の転舵角指令値を算出する。そして、転舵コントロールユニット１１は、転舵角センサ８からのモータ回転角を参照しつつ、操向輪２，２の実転舵角が転舵角指令値と一致するような電流指令値を、転舵アクチュエータ７に出力する。なお、操舵反力コントロールユニット１０と転舵コントロールユニット１１の間のデータのやりとりは、双方向通信可能な通信線１２を介して行われる。

図２は、操舵反力コントロールユニット１０と転舵コントロールユニット１１の制御ブロック図である。

操舵反力コントロールユニット１０は、反力推定器１０ａと、反力制御部１０ｂと、転舵角補正値設定部１０ｃとを備えている。

反力推定器１０ａには、運転者のハンドル操作に応じて操舵角センサ５により検出されるハンドル角度と、路面の状況に応じてフォースセンサ９により計測される路面反力とが入力される。反力推定器１０ａは、ハンドル角度と路面反力とから、反力指令値を算出し、反力制御部１０ｂと転舵角補正値設定部１０ｃとへ出力する。

反力制御部１０ｂは、入力した反力指令値に基づいて、反力アクチュエータ６の電流指令値を算出する。反力アクチュエータ６は、電流指令値に応じてハンドル１に操舵反力を発生させる。ハンドル角度は、操舵反力と運転者である人がハンドル１に加える力のバランスにより決まる値となる。

転舵角補正値設定部１０ｃは、反力指令値に補正ゲインＧ（定数）を乗算して転舵角補正値を算出する（転舵角補正値設定手段に相当）。ハンドル角度にステアリングギア比を乗じた値から転舵角補正値を減算した値は、転舵角指令として、通信線１２を介し転舵コントロールユニット１１へ入力される（転舵角指令値補正手段に相当）。なお、ステアリングギア比は、車速等の車両状態に応じて可変するように設定される。

転舵コントロールユニット１１は、転舵制御部１１ａを備えている。転舵制御部１１ａは、転舵角センサ８からのモータ回転角を参照しつつ、操向輪２，２の実転舵角が転舵角指令値の値と同じになるような電流指令値を、転舵アクチュエータ７に出力する。転舵アクチュエータ７は、電流指令値に応じた操向輪２，２の転舵角が得られるよう、ステアリング機構３を駆動する。

次に、作用を説明する。
［転舵角指令値補正制御処理］
図３は、実施例１の操舵反力コントロールユニット１０で実行される転舵角指令値補正制御処理の流れを示すフローチャートで、以下、各ステップについて説明する。なお、この制御処理は、所定の制御周期で実行される。

ステップS1では、反力推定器１０ａにおいて、ハンドル角度とラック軸力とを入力し、ステップS2へ移行する。

ステップS2では、反力推定器１０ａにおいて、ステップS1で入力したラック軸力から、路面反力を推定し、ステップS3へ移行する。

ステップS3では、反力推定器１０ａにおいて、ステップS2で推定した路面反力とステップS1で入力したハンドル角度とから、反力アクチュエータ６の反力指令値を算出し、ステップS4へ移行する。

ステップS4では、反力制御部１０ｂにおいて、ステップS3で算出した反力指令値から、電流指令値を算出するとともに、算出した電流指令値を反力アクチュエータ６へ出力し、ステップS5へ移行する。

ステップS5では、転舵角補正部１０ｃにおいて、ステップS3で算出した反力指令値に補正ゲインＧを乗算して転舵角補正値を設定し、ステップS6へ移行する。

ステップS6では、ハンドル角度にステアリングギア比を乗じた値からステップS5で設定した転舵角補正値を減算し、これを転舵角指令値として転舵コントローラユニット１１の転舵制御部１１ａに出力し、リターンへ移行する。

［解決課題］
ハンドルとステアリング機構とが機械的に切り離され、操向輪の転舵を電動モータ等の転舵アクチュエータを用いて行う、ステア・バイ・ワイヤシステムでは、ハンドル角度を指令値として転舵角制御を行っている。このステア・バイ・ワイヤシステムにおいては、従来、ハンドル角度と操向輪の転舵角とを一致させるように転舵角制御が行われるため、ハンドルの微少な操舵にも操向輪が応答し、特に高速走行時などではハンドルの操舵に対して車両が過敏に反応することで、運転のしづらいステアリングシステムとなっていた。なお、ハンドルとステアリング機構とがステアリングシャフトにより連結された通常の操舵装置では、ハンドルの微少な操舵がステアリングシャフトのねじれにより吸収されるため、上記の問題は発生しない。

一方、ステア・バイ・ワイヤシステムにおいて、ハンドル角度と転舵角とにずれ（ねじれ）を生じさせる手段としては、転舵角制御の耐外乱性を低下させるという手段もあるが、この場合、走行環境以外の外乱（モータ、アクチュエータ等の非線形性、ばらつき）の補償の性能も低下してしまう。

また、特開２００１−１９１９３７号公報には、高速走行時のステアリングの過敏な応答を改善させるために、車両のヨーレートを計測し、ハンドル角度から車両の目標ヨーレートを求め、その目標ヨーレートと実際のヨーレートが一致するように操向輪の転舵角制御を行う技術が提案されている。

ところが、この従来技術では、ヨーレートを計測できない低速走行時において、据え切り等により縁石に操向輪が乗り上げたときは、ハンドル角度に操向輪の転舵角を合わせようとして転舵アクチュエータに対し、過大な電流指令値が出力され、モータやその駆動回路が過熱するという問題があった。

［反力指令値に応じた転舵角指令値補正作用］
これに対し、実施例１の車両用操舵装置では、操舵反力アクチュエータ６の反力指令値に補正ゲインＧを乗算した値を転舵角補正値とし、この転舵角補正値をハンドル角度にステアリングギア比を乗じた値から減算して転舵アクチュエータ７の転舵角指令値を補正する。

よって、据え切り時に操向輪２，２が縁石等に乗り上げた場合には、大きな反力指令値が出力されるため、これに応じて転舵角補正値も大きくなる。すると、転舵角指令値は実際のハンドル角度に応じた値よりも小さい値となる。

通常、転舵角制御では、実転舵角をフィードバックし、実転舵角と転舵角指令値との差分に比例して電流指令値も大きくなる。従って、従来の構成では、縁石に乗り上げて操向輪が切り増し側に転舵不能となった場合、実転舵角と転舵角指令値との差分が大きくなるため、大きな電流指令値が出力され、モータや駆動回路の過熱という問題を引き起こしていた。

実施例１では、転舵角指令値自体を補正するため、実転舵角と転舵角指令値との差分が大きくなることはない。そのため、電流指令値がモータや駆動回路が過熱するほどの大きな値となるのを回避できる。

［転舵角補正による高速走行時の車両挙動安定化作用］
また、高速走行時において路面反力（セルフアライニングトルク）が大きく反力指令値も大きい場合は、転舵角補正値も大きくなり、ハンドル１を操作してもハンドル角度から転舵角補正値が減算されるため、転舵角指令値は実際のハンドル角度よりも小さな値となる。このため、高速走行時にハンドル１を操作したとき、過敏に操向輪２，２の転舵角が応答するのが低減され、安定した車両走行が実現できる。

［転舵角補正による低速走行時の操舵応答性向上作用］
逆に、車速が低くセルフアライニングトルクが小さい場合は、転舵角補正値も小さく、ハンドル角度とほぼ同じ角度が転舵角指令値となるため、交差点の右折、左折時などでは車両は十分な回頭性を持ち、必要以上にハンドル１を切り増す必要がない。

つまり、路面の状況を反映して転舵角指令値が変化するため、ヨーレートセンサの無い安価なシステムで、上述した通常の操舵装置のステアリングシャフト相当のねじれの振る舞いを再現できる。

［電動パワーステアリングシステムとの差異］
特開２０００−７２００６号公報には、電動パワーステアリングシステムにおいてモータの過熱を推定し、電流指令値の制限値を可変する技術が記載されている。ところが、この技術は既に過熱したモータに対し、その保護のために電動パワーステアリングシステム本来の機能である操舵負担軽減を制限するものである。

一方、ステア・バイ・ワイヤシステムにおいては、転舵アクチュエータの電流指令値を制限するのは、安全性の観点から好ましくない。それは、例えば、山岳路走行中にモータが過熱し、電流指令値を制限した場合、充分な操舵を行うことができなくなる可能性があるためである。

そのため、ステア・バイ・ワイヤシステムでは、モータを過熱させることなく、極力無駄な電流が流れないような処理を行う必要がある。そして、万が一モータが過熱してしまった場合には、電流指令値を制限するのではなく、車両の速度を強制的に下げる等の処理を行うべきである。

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、下記に列挙する効果が得られる。

(1) 車両の操向輪２，２を転舵させるステアリング機構３と、このステアリング機構３と機械的に切り離されたハンドル１と、操向輪２，２の状態に応じた反力指令値に基づいて、ハンドル１に操舵反力を与える反力アクチュエータ６と、ハンドル角度に応じた転舵角指令値に基づいて、ステアリング機構３を駆動する転舵アクチュエータ７と、を有する車両用操舵装置において、反力指令値に基づいて転舵角補正値を設定する転舵角補正値設定部１０ｃと、転舵角指令値から転舵角補正値を減算する転舵角指令値補正手段と、を備え、転舵角補正値設定部１０ｃは、反力指令値が大きいほど、転舵角補正値を大きくするため、縁石等により操向輪２，２が切り増し側に転舵不能となった場合に、転舵角指令値が過大となるのが回避され、転舵アクチュエータ７の過熱を防止できる。

(2) 転舵角補正値設定部１０ｃは、反力指令値に補正ゲインＧ（定数）を乗算して転舵角補正値を設定するため、路面の状況（セルフアライニングトルク）を反映して転舵角指令値を補正でき、通常の車両のステアリングシャフト相当のねじれの振る舞いを再現できる。

実施例２は、走行状態に応じて補正ゲインＧの値を変化させる例である。

図４は、実施例２の操舵反力コントロールユニット１０'と転舵コントロールユニット１１の制御ブロック図であり、実施例２の操舵反力コントロールユニット１０'では、転舵角補正値設定部１０ｃ'において、車両速度（車速）とハンドル角度に基づいて補正ゲインＧを設定する点のみが実施例１と異なり、他の構成は実施例１と同一であるため、同一の構成部分には同一符号を付して説明を省略する。

転舵角補正値設定部１０ｃ'は、車速から図５のマップを参照して得られたゲインＧ_Vと、ハンドル角度から図６のマップを参照して得られたゲインＧ_θとを比較し、値の大きな方を補正ゲインＧとし、この補正ゲインＧを反力指令値に乗算して転舵角補正値を設定する。

図５は、車速Ｖに応じたゲインＧ_Vの設定マップであり、このマップは、車速Ｖが高くなるほどゲインＧ_Vが大きくなるように設定されている。よって、高車速になるほど転舵角補正値が大きくなり、転舵角指令値は実際のハンドル角度θに応じた値よりも小さな値となる。

図６は、ハンドル角度θに応じたゲインＧ_θの設定マップであり、このマップは、ハンドル角度θが大きくなるほどゲインＧ_θが小さくなるように設定されている。よって、ハンドル角度θが小さいほど転舵角補正値が小さくなり、転舵角指令値は実際のハンドル角度θに応じた値よりも小さな値となる。

次に、作用を説明する。
［転舵角指令値補正制御処理］
図７は、実施例２の操舵反力コントロールユニット１０'で実行される転舵角指令値補正制御処理の流れを示すフローチャートである。なお、図７のステップS12〜ステップS14は、図３のステップS2〜ステップS4と同一の処理を行い、図７のステップS20は、図３のステップS6と同一の処理を行うため、異なるステップのみ説明する。

ステップS11では、反力推定器１０ａにおいて、ハンドル角度θとラック軸力とを入力するとともに、転舵角補正値設定部１０ｃ'において、車速Ｖとハンドル角度θを入力し、ステップS2へ移行する。

ステップS15では、転舵角補正値設定部１０ｃ'において、ステップS11で入力した車速Ｖから図５のマップを参照し、車速に応じたゲインＧ_Vを算出し、ステップS16へ移行する。

ステップS16では、転舵角補正値設定部１０ｃ'において、ステップS11で入力したハンドル角度θから図６のマップを参照し、ハンドル角度に応じたゲインＧ_θを算出し、ステップS17へ移行する。

ステップS17では、転舵角補正値設定部１０ｃ'において、ステップS15で算出したゲインＧ_VがステップS16で算出したゲインＧ_θ以上であるかどうかを判定する。YESの場合にはステップS18へ移行し、NOの場合にはステップS19へ移行する。

ステップS18では、転舵角補正値設定部１０ｃ'において、ステップS15で算出したゲインＧ_Vを補正ゲインＧとし、この補正ゲインＧにステップS13で算出した反力指令値を乗算して転舵角補正値を設定し、ステップS20へ移行する。

ステップS19では、転舵角補正値設定部１０ｃ'において、ステップS16で算出したゲインＧ_θを補正ゲインＧとし、この補正ゲインＧにステップS13で算出した反力指令値を乗算して転舵角補正値を設定し、ステップS20へ移行する。

すなわち、図７のフローチャートでは、ステップS17において、車速Ｖに応じたゲインＧ_Vとハンドル角度θに応じたゲインＧ_θとが比較され、どちらか大きな方を補正ゲインＧとして転舵角指令値が補正される。

［高速走行時の車両挙動安定化作用］
高速走行時には、車両の安定性を考慮し、操舵応答は抑えた方が良い。実施例２では、車速Ｖが高いほど転舵角補正値を大きくするため、ハンドル角度θに対し転舵角指令値が小さく抑えられ、結果として車両の応答を抑制できる。また、一般的に、高速走行時のハンドル角度θは小さいため、ハンドル角度θが小さいほど転舵角補正値を大きくすることにより、転舵角指令値が小さく抑えられる。

［低速走行時の操舵応答性向上作用］
交差点の右折、左折やや駐車場への車庫入れのような低速で走行する状況では、ハンドル角度θは大きくなる。このような状況では、ハンドル１の操作に対して車両挙動が不安定となることは少なく、それよりもハンドル角度θに応じて操向輪２，２が転舵されることが好ましい。

実施例２では、ハンドル角度θが大きいほど転舵角補正値を小さくし、かつ、車速Ｖが低いほど転舵角補正値を小さくするため、交差点の右折、左折時や車庫入れ等において、操向輪２，２の転舵角がハンドル角度θに近づき、高い操舵応答特性が確保される。

次に、効果を説明する。
実施例２の車両用操舵装置にあっては、実施例１の効果(1)，(2)に加え、下記に列挙する効果が得られる。

(3) 転舵角補正値設定部１０ｃ'は、走行状態に応じて転舵角補正値を変化させるため、走行状態に応じて最適な操舵応答特性を設定できる。

(4) 転舵角補正値設定部１０ｃ'は、車速Ｖが高いほど補正ゲインＧ_Vの値を大きくするため、高速走行時の車両挙動の安定化向上と、低速走行時の操舵応答性の向上とを両立できる。

(5) 転舵角補正値設定部１０ｃ'は、ハンドル角度θが大きいほど補正ゲインＧ_θの値を小さくするため、高速走行時の車両挙動の安定化向上と、低速走行時の操舵応答性の向上とを両立できる。

（他の実施例）
以上、本発明を実施するための最良の形態を、実施例１，２に基づいて説明したが、本発明の具体的な構成は各実施例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１，２では、転舵角補正値設定手段（転舵角補正値設定部１０ｃ）と転舵角指令値補正手段を、操舵反力コントロールユニット１０側に設けた例を示したが、転舵コントロールユニット１１側に設けても良い。また、両コントロールユニット１０，１１から独立した構成としても良い。

実施例１，２では、フォースセンサ９により計測されるラック軸力から操舵系に作用する路面反力を算出する例を示したが、転舵アクチュエータ７のモータ電圧値とモータ電流値とに基づいて、路面反力を推定する構成としても良い。

実施例２では、車速Ｖとハンドル角度θとに応じて補正ゲインＧを変化させる例を示したが、車両の加速度やハンドル１の操舵角速度、横加速度、車体スリップ角等、他の走行状態に応じて補正ゲインＧを設定する構成としても良い。

実施例１の車両用操舵装置が適用されたステア・バイ・ワイヤシステムを示す全体構成図である。操舵反力コントロールユニット１０と転舵コントロールユニット１１の制御ブロック図である。実施例１の操舵反力コントロールユニット１０で実行される転舵角指令値補正制御処理の流れを示すフローチャートである。実施例２の操舵反力コントロールユニット１０'と転舵コントロールユニット１１の制御ブロック図である。車速Ｖに応じたゲインＧ_Vの設定マップである。ハンドル角度θに応じたゲインＧ_θの設定マップである。実施例２の操舵反力コントロールユニット１０'で実行される転舵角指令値補正制御処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１ハンドル
２操向輪
３ステアリング機構
４コラムシャフト
５操舵角センサ
６反力アクチュエータ
７転舵アクチュエータ
８転舵角センサ
９フォースセンサ
１０操舵反力コントロールユニット
１０ａ反力推定器
１０ｂ反力制御部
１０ｃ転舵角補正値設定部
１１転舵コントロールユニット
１１ａ転舵制御部
１２通信線

Claims

車両の操向輪を転舵させる舵取り機構と、
この舵取り機構と機械的に切り離された操作入力手段と、
前記操向輪の状態に応じた反力指令値に基づいて、前記操作入力手段に操舵反力を与える反力アクチュエータと、
前記操作入力手段の操舵角に応じた転舵角指令値に基づいて、前記舵取り機構を駆動する転舵アクチュエータと、
を有する車両用操舵装置において、
前記反力指令値に基づいて転舵角補正値を設定する転舵角補正値設定手段と、
前記転舵角指令値から転舵角補正値を減算する転舵角指令値補正手段と、
を備え、
前記転舵角補正値設定手段は、前記反力指令値が大きいほど、転舵角補正値を大きくすることを特徴とする車両用操舵装置。
請求項１に記載の車両用操舵装置において、
前記転舵角補正値設定手段は、前記反力指令値に補正ゲインを乗算した値を転舵角補正値に設定することを特徴とする車両用操舵装置。
請求項２に記載の車両用操舵装置において、
前記転舵角補正値設定手段は、走行状態に応じて前記補正ゲインを変化させることを特徴とする車両用操舵装置。
請求項３に記載の車両用操舵装置において、
前記転舵角補正値設定手段は、車速が高いほど前記補正ゲインの値を大きくすることを特徴とする車両用操舵装置。
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、
前記転舵角補正値設定手段は、前記操舵角が大きいほど前記補正ゲインの値を小さくすることを特徴とする車両用操舵装置。