JP2007083748A

JP2007083748A - 車両の舵角制御装置

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Publication number: JP2007083748A
Application number: JP2005271647A
Authority: JP
Inventors: Yasuji Hidaka; 靖二日▲高▼
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2005-09-20
Filing date: 2005-09-20
Publication date: 2007-04-05

Abstract

【課題】アクチュエータをＰＩＤ制御する車両の舵角制御装置において、適切なＩ項を設定し、車両の応答性を犠牲にすることなく、位置精度を向上させる。
【解決手段】荷重検出手段（ＲＬ）により、アクチュエータＡＣＴに付与される荷重を検出し、この検出荷重に基づき、Ｉ項ファクタ演算手段（ＩＦ）において、Ｉ項ゲインを含むＩ項ファクタを演算する。そして、ＰＩＤコントローラ（ＣＴ）にて、Ｉ項ファクタ演算手段の演算結果に基づいてＩ項出力を調整し、このＩ項出力を含むＰＩＤ出力によってアクチュエータを駆動制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の舵角制御装置に関し、特に、車両の左右の車輪間に介装するアクチュエータを、ＰＩＤ制御する車両の舵角制御装置に係る。

車両の舵角制御装置として、車両の左右の車輪間に介装するアクチュエータを備えたものが知られており、一般的に、車輪に対する目標タイヤ角と実タイヤ角の偏差に基づきアクチュエータを駆動制御するように構成されている。例えば、特許文献１に示す車両の操舵制御装置には、アクチュエータをＰＤ制御する手段が開示されているが、このアクチュエータを駆動制御するコントローラとして、例えば非特許文献１に記載のようなサーボ制御に供されるＰＩＤ制御を利用することができる。このＰＩＤ制御の特徴として、Ｉ項は、低周波ゲインが高いのに対し高周波ゲインが低く、位相を遅らせる特性を示す要素ということができる。換言すれば、Ｉ項は定常的な位置精度の向上に有効であるものの、位相特性に関し応答性を悪化させる要素である。尚、非特許文献２には、２輪車モデルや操舵系の運動方程式が説明されており、後述の車両モデル演算に供し得る。

特開平９−２３１５号公報高木章二著「自動車の運動と制御」、株式会社コロナ社、２００３年３月２５日初版第１１刷発行、１９４頁乃至１９６頁カヤバ工業株式会社編「自動車の操舵系と操安性」、株式会社山海堂、平成８年９月１０日第１刷発行、１５７頁及び１７７頁

上記車両の舵角制御装置においては、位相応答性は車両の性能（応答性）に大きく影響するため、位相応答性に優れた制御が望まれる。従って、アクチュエータの駆動制御にＰＩＤ制御を適用する場合において位相応答性を高くするためには、Ｐ項及びＤ項のゲインを大きくし、Ｉ項のゲインを小さくすることになる。一方、位置精度は車両の直進性やステアリング操舵角オフセット等に大きな影響を及ぼすので、車両の舵角制御（位置制御）においては、制御系の定常特性も重要である。この位置精度を向上させるには、Ｉ項のゲインを大きくし、Ｐ項及びＤ項のゲインを小さくすることになる。このように、位置精度と位相応答性は背反事項であり、位置精度と位相応答性の両者を同時に高くすることは至難である。

そこで、本発明は、車両の左右の車輪間に介装するアクチュエータをＰＩＤ制御する車両の舵角制御装置において、適切なＩ項を設定し、車両の応答性を犠牲にすることなく、位置精度を向上させ得る舵角制御装置を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明は、請求項１に記載のように、車両の左右の車輪間に介装され、車輪舵角を制御するアクチュエータと、前記車輪に対する目標タイヤ角と実タイヤ角の偏差に基づいて演算するＰ項出力、Ｉ項出力及びＤ項出力から成るＰＩＤ出力によって、前記アクチュエータを駆動制御するＰＩＤコントローラを備えた車両の舵角制御装置において、前記アクチュエータに付与される荷重を検出する荷重検出手段と、該荷重検出手段の検出荷重に基づき、Ｉ項ゲインを含むＩ項ファクタを演算するＩ項ファクタ演算手段とを備え、前記ＰＩＤコントローラが、前記Ｉ項ファクタ演算手段の演算結果に基づいて前記Ｉ項出力を調整するように構成したものである。

更に、請求項２に記載のように、前記車両の車速を含む車両状態を検出する車両状態検出手段と、前記車両のステアリング操舵角を検出する操舵角検出手段と、該操舵角検出手段の検出操舵角及び前記車両状態検出手段の検出車両状態と二輪モデルから前記車輪の横力を演算する車両モデル演算手段を備えたものとし、前記荷重検出手段は、前記車両モデル演算手段の演算結果の横力とステアリング機構モデルから前記荷重を演算するように構成するとよい。尚、前記アクチュエータはロッドを介して前記車輪に連結されるのが一般的であるので、前記アクチュエータに付与される荷重は、通常、当該ロッドに付与されるロッド荷重として検出される。

前記Ｉ項ファクタ演算手段は、請求項３に記載のように、前記荷重検出手段の検出荷重に対する前記アクチュエータの最大出力の比を、所定の基準Ｉ項ゲインに乗じて前記Ｉ項ゲインを演算するように構成するとよい。

更に、請求項４に記載のように、前記Ｉ項ファクタ演算手段は、前記荷重検出手段の検出荷重に対する前記アクチュエータの最大出力の比を、所定の基準Ｉ項リミッタに乗じてＩ項リミッタを演算し、前記ＰＩＤコントローラは、前記Ｉ項リミッタに基づきＩ項閾値を演算し、前記Ｉ項出力を前記Ｉ項閾値以下に制限するように調整するとよい。

而して、請求項１に記載の舵角制御装置によれば、アクチュエータに付与される荷重に基づき、Ｉ項ゲインを含むＩ項ファクタが演算され、その演算結果に基づいてＩ項出力が調整されるので、車両の応答性を犠牲にすることなく、位置精度を向上させることができる。

更に、請求項２に示すように車両モデル演算手段を備えたものとすれば、アクチュエータに付与される荷重を直接検出することなく、車両モデル演算手段の演算結果の横力とステアリング機構モデルから荷重を演算することができる。尚、車両状態検出手段によって検出される車両状態としては、車速のほか車両の横加速度等を含み、これらに基づいて目標タイヤ角を設定することもできる。

上記Ｉ項ファクタとして、請求項３に記載のようにＩ項ゲインを演算することとすれば、適切なＩ項出力を演算することができる。更に、請求項４に記載のようにＩ項リミッタを演算し、これに基づきＩ項閾値を求め、Ｉ項出力をＩ項閾値以下に制限することにより、過度のＩ項出力による影響を抑え、適切に舵角制御を行うことができる。

以下、本発明の望ましい実施形態を説明する。先ず、本発明の一実施形態に係る舵角制御装置を備えた車両の全体構成について図２を参照して説明すると、舵角制御装置として、アクチュエータＡＣＴによって車両後方の車輪舵角を制御することによりステアリング特性を制御する後輪操舵制御システム（ＲＳＴ）が構成されている。このアクチュエータＡＣＴは、電子制御装置ＥＣＵ内の操舵制御ユニットＥＣＵ１によって制御される。

図２に示すように各車輪ＷＨxxには車輪速度センサＷＳxxが配設され（添字xxは各車輪を意味し、frは右側前輪、fl左側前輪、rrは右側後輪、rlは左側後輪を示す）、これらが電子制御装置ＥＣＵに接続されており、各車輪の回転速度、即ち車輪速度に比例するパルス数のパルス信号が電子制御装置ＥＣＵに入力されるように構成されている。而して、これらの車輪速度センサＷＳxxの検出車輪速度に基づき車速（車体速度）Ｖｓを推定演算することができ、車両状態検出手段が構成される。更に、操舵角検出手段として、ステアリングホイールＳＷの操舵角（ハンドル角）δｓを検出する操舵角センサＳＡが配設され、車両の前後加速度Ｇｘを検出する前後加速度センサＸＧ、車両の横加速度Ｇｙを検出する横加速度センサＹＧ、車両のヨーレイトγを検出するヨーレイトセンサＹＲ等と共に電子制御装置ＥＣＵに接続されている。

尚、電子制御装置ＥＣＵ内には、上記の操舵制御ユニットＥＣＵ１のほか、ブレーキ制御ユニットＥＣＵ２等が構成されており、これらの制御ユニットＥＣＵ１及び２等は夫々、通信用のＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭを備えた通信ユニット（図示せず）を介して通信バスに接続されている。而して、各制御システムに必要な情報を他の制御システムから送信することができる。

図１は、上記車輪ＷＨrrと車輪ＷＨrlと間に介装されるアクチュエータＡＣＴを備えた舵角制御装置の基本制御態様を示すもので、車両状態の検出結果として、前述のように推定演算された車速Ｖｓが（必要に応じ、図２に示す横加速度センサＹＧによって検出された車両の横加速度Ｇｙ、及びヨーレイトセンサＹＲによって検出された車両のヨーレイトγ等と共に）車両モデル演算部ＶＭに供給される。尚、車速センサ（図示せず）を配設し、車速Ｖｓを直接検出し得るように構成してもよい。また、図２に示す操舵角センサＳＡによって検出された操舵角δｓが、車両モデル演算部ＶＭに供給される。

車両モデル演算部ＶＭにおいては、上記のように検出された操舵角δｓ及び車速Ｖｓと二輪モデル（図示せず）から車輪の横力Ｆｙ（Ｎ）が演算される。尚、車輪横力検出装置（図示せず）によって横力Ｆｙを直接検出することとしてもよい。そして、荷重検出部ＲＬにおいて、この横力Ｆｙとステアリング機構モデル（図示せず）から荷重Ｆａ（Ｎ）が演算される。二輪モデル及びステアリング機構モデルについては、例えば前掲の非特許文献２に記載されている一般的な推定演算用モデルであるので、これらの説明は省略する。尚、図１に破線で示すように、ロッド荷重センサＲＳを配設し、アクチュエータＡＣＴに接続されたロッドに付与されるロッド荷重を直接検出し、これを荷重Ｆａとすることとしてもよい。

そして、上記荷重検出部ＲＬの検出荷重Ｆａに基づき、Ｉ項ファクタ演算部ＩＦにおいて、Ｉ項ゲイン（Ｉｋ）及びＩ項リミッタ（Ｉｕ）を含むＩ項ファクタが演算される。Ｉ項ゲイン（Ｉｋ）は、下記（１）式に示すように、検出荷重Ｆａに対するアクチュエータＡＣＴの最大出力Ｆmax（Ｎ）の比を、所定の基準Ｉ項ゲイン（Ｉｋｒ）に乗じて求めることができる。尚、基準Ｉ項ゲイン（Ｉｋｒ）はチューニングによって設定される。
Ｉｋ（％）＝（Ｆａ／Ｆmax ）・Ｉｋｒ・１００ −−（１）

また、Ｉ項リミッタ（Ｉｕ）は、下記（２）式に示すように、検出荷重Ｆａに対するアクチュエータＡＣＴの最大出力Ｆmaxの比を、所定の基準Ｉ項リミッタ（Ｉｕｒ）に乗じて求めることができる。この基準Ｉ項リミッタ（Ｉｕｒ）もチューニングによって設定される。
Ｉｕ（％）＝（Ｆａ／Ｆmax ）・Ｉｕｒ・１００ −−（２）

而して、ＰＩＤコントローラＣＴにおいて、目標タイヤ角δｔと実タイヤ角δａの偏差（δｔ−δａ）の積分によって求められるＩ項成分［∫（δｔ−δａ）］にＩ項ゲイン（Ｉｋ）が乗じられ、Ｉ項出力（Ｉout）が下記（３）式に示すように求められる。尚、タイヤ角に代えて、タイヤトルクを用いることとしてもよい。
Ｉout ＝［∫（δｔ−δａ）］・Ｉｋ −−（３）

上記（３）式において、Ｉ項ゲイン（Ｉｋ）はＩ項リミッタ（Ｉｕ）を越えないように設定される。Ｉ項ゲイン（Ｉｋ）がＩ項リミッタ（Ｉｕ）を越える場合には、上記（３）式の（Ｉｋ）に代えて（Ｉｕ）が用いられてＩ項閾値が演算され、このＩ項閾値がＩ項出力（Ｉout）とされる。而して、積分（Ｉ）制御に供するＩ項出力（Ｉout）はＩ項閾値以下に制限され、このＩ項出力（Ｉout）、並びに比例（Ｐ）及び微分（Ｄ）の各制御に供するＰ項出力（Ｐout）及びＤ項出力（Ｄout）に基づき、下記（６）式に示すようにＰＩＤ出力（Ｓout）が演算される。尚、Ｐ項出力（Ｐout）及びＤ項出力（Ｄout）に対しても、下記（４）式及び（５）式に示すように、夫々Ｐ項ゲイン（Ｐｋ）及びＤ項ゲイン（Ｄｋ）を乗じた値が用いられる。
Ｐout ＝（δｔ−δａ）・Ｐｋ −−（４）
Ｄout ＝ Δ（δｔ−δａ）・Ｄｋ −−（５）
Ｓout ＝Ｐout ＋Ｉout ＋Ｄout −−（６）

このようにして求められたＰＩＤ出力（Ｓout）によってアクチュエータＡＣＴが適切に駆動制御され、車両の応答性を犠牲にすることなく、アクチュエータＡＣＴの良好な位置精度が確保される。尚、車両モデル演算部ＶＭの演算結果に基づく車両状態（あるいは、車両状態とアクチュエータＡＣＴの駆動状態の比較結果）から、Ｉ項出力（Ｉout）の可否を判定し、積極的にＩ項出力（Ｉout）をクリアするように構成してもよい。

本発明の一実施形態に係る舵角制御装置の基本制御を示す制御ブロック図である。本発明の一実施形態に係る舵角制御装置を備えた車両の概要を示す構成図である。

符号の説明

ＡＣＴアクチュエータ
ＶＭ車両モデル演算部
ＲＬ荷重検出部
ＩＦＩ項ファクタ演算部
ＣＴＰＩＤコントローラ
ＳＷステアリングホイール
ＳＡ操舵角センサ
ＷＨfr, ＷＨfl, ＷＨrr, ＷＨrl 車輪
ＷＳfr，ＷＳfl，ＷＳrr，ＷＳrl 車輪速度センサ
ＹＲヨーレイトセンサ
ＸＧ前後加速度センサ
ＹＧ横加速度センサ
ＥＣＵ電子制御装置

Claims

車両の左右の車輪間に介装され、車輪舵角を制御するアクチュエータと、前記車輪に対する目標タイヤ角と実タイヤ角の偏差に基づいて演算するＰ項出力、Ｉ項出力及びＤ項出力から成るＰＩＤ出力によって、前記アクチュエータを駆動制御するＰＩＤコントローラを備えた車両の舵角制御装置において、前記アクチュエータに付与される荷重を検出する荷重検出手段と、該荷重検出手段の検出荷重に基づき、Ｉ項ゲインを含むＩ項ファクタを演算するＩ項ファクタ演算手段とを備え、前記ＰＩＤコントローラが、前記Ｉ項ファクタ演算手段の演算結果に基づいて前記Ｉ項出力を調整することを特徴とする車両の舵角制御装置。
前記車両の車速を含む車両状態を検出する車両状態検出手段と、前記車両のステアリング操舵角を検出する操舵角検出手段と、該操舵角検出手段の検出操舵角及び前記車両状態検出手段の検出車両状態と二輪モデルから前記車輪の横力を演算する車両モデル演算手段を備え、前記荷重検出手段は、前記車両モデル演算手段の演算結果の横力とステアリング機構モデルから前記荷重を演算することを特徴とする請求項１記載の車両の舵角制御装置。
前記Ｉ項ファクタ演算手段は、前記荷重検出手段の検出荷重に対する前記アクチュエータの最大出力の比を、所定の基準Ｉ項ゲインに乗じて前記Ｉ項ゲインを演算することを特徴とする請求項１又は２記載の車両の舵角制御装置。
前記Ｉ項ファクタ演算手段は、前記荷重検出手段の検出荷重に対する前記アクチュエータの最大出力の比を、所定の基準Ｉ項リミッタに乗じてＩ項リミッタを演算し、前記ＰＩＤコントローラは、前記Ｉ項リミッタに基づきＩ項閾値を演算し、前記Ｉ項出力を前記Ｉ項閾値以下に制限することを特徴とする請求項３記載の車両の舵角制御装置。