JP2008162471A - 車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】操作反力の検出分解能を向上でき、これにより、反力アクチュエータを精度良く制御して、操舵フィーリングの向上を図れる車両用操舵装置を提供する。
【解決手段】この車両用操舵装置は、ステアリングホイール１に操作反力を付与するための反力アクチュエータ１９を備えている。この装置は、さらに、ステアリングホイール１の操舵角δｈを検出する角度センサ１１と、操舵角δｈに応じて反力アクチュエータ１９を制御する制御装置２０と、ステアリングホイール１に付与される操舵トルクＴｈ（操作反力に等しい）を検出するトルクセンサ１２とを含む。制御装置２０は、操舵角δｈが舵角中点を含む所定範囲内の値のときは、操舵トルクＴｈに基づいて反力アクチュエータ１９をフィードバック制御する。操舵角δｈが前記所定範囲外の値のときは、操舵トルクＴｈをフィードバックせずに反力アクチュエータ１９をオープンループ制御によって駆動する。
【選択図】図２

Description

この発明は、パワーステアリング装置やステア・バイ・ワイヤシステムなどの車両用操舵装置に関し、とくに、ステアリングホイールその他の操向用操作部材に対して操作反力を与える反力アクチュエータが備えられた車両用操舵装置に関する。

車両用操舵装置の一例は、電動モータが発生する操舵補助力を舵取り機構に与える電動パワーステアリング装置である。電動パワーステアリング装置は、運転者がステアリングホイールに加える操舵トルクに応じて電動モータを駆動する制御装置を備えている。この構成により、操舵トルクに応じた適切な操舵補助力が発生されるようになっている。
車両用操舵装置の他の例は、ステアリングホイールと舵取り機構との機械的な結合をなくし、ステアリングホイールの操舵角をセンサによって検出するとともに、そのセンサの出力に応じて制御される操舵用アクチュエータの駆動力を舵取り機構に伝達するようにしたステア・バイ・ワイヤシステムである（特許文献１）。ステア・バイ・ワイヤシステムでは、ステアリングホイールの操舵角に対する舵取り車輪の転舵角の比（転舵角比）を自由に定めることができる。また、操舵用アクチュエータの制御による操舵角制御をステアリングホイールの操作とは独立して行うことができ、これにより、操舵制御による車両挙動安定化制御を行うこともできる。

転舵角比を変更することができる車両用操舵装置は、ステア・バイ・ワイヤシステムだけではない。たとえば、ステアリングホイールと舵取り機構との間に、回転伝達比を変更できる可変伝達比ユニットを介在させた可変ギヤ比ステアリングシステムにおいても、転舵角比の可変制御が可能である（特許文献２）。
ステア・バイ・ワイヤシステムでは、ステアリングホイールと舵取り機構との機械的な結合がないので、車輪からのセルフアライニングトルクによる操作反力がステアリングホイールに伝わらない。そこで、ステアリングホイールに操作反力を与える反力アクチュエータが備えられる。この反力アクチュエータは、ステアリングホイールの操舵角と、ステアリングホイールに加えられる操舵トルク（操作反力に等しい）とに基づいて制御される。より具体的には、操舵角に基づいて目標操舵トルクが設定され、この目標操舵トルクと実際の操舵トルクとが一致するように、反力アクチュエータがフィードバック制御される。

このフィードバック制御のために、ステアリングホイールに加えられる操舵トルクを検出するトルクセンサが備えられる。トルクセンサが出力するアナログトルク信号は、マイクロコンピュータのアナログ／ディジタル入力ポートに供給され、ディジタルトルク信号に変換されてマイクロコンピュータ内に取り込まれる。マイクロコンピュータは、操舵角に基づいて目標操舵トルクを演算するとともに、トルクセンサからのフィードバックを受けながら、反力アクチュエータを制御する。
特開２００１−１９１９３７号公報 特開２００６−２８０５号公報 特開２００４−４２８２９号公報 特開２００３−６３４３４号公報

ところが、マイクロコンピュータのアナログ／ディジタル入力ポートの入力電圧範囲は、予め決まっているので、検出トルク範囲が広く、したがって、トルクセンサの出力変動範囲が広い場合には、トルク検出精度、すなわち、トルク検出分解能が悪くなる。そのため、反力アクチュエータの制御性が悪くなり、操舵フィーリングの向上が阻害される。
より具体的に説明すると、最大操舵角付近では、大きな操作反力をステアリングホイールに付与して、端当て感を運転者に伝達する必要がある。また、舵角中点付近では、セルフアライニングトルクは小さいはずであるから、微小な操作反力をステアリングホイールに付与する必要がある。そのため、全舵角範囲に渡って反力アクチュエータのフィードバック制御を行うためには、トルクセンサの全出力範囲をマイクロコンピュータのアナログ／ディジタル入力ポートの入力電圧範囲に割り当てなければならない。その結果、ディジタル信号に変換された後のトルク信号は、低分解能の信号とならざるを得ない。

ステア・バイ・ワイヤシステムに限らず、パワーステアリング装置や可変ギヤ比ステアリングシステムにおいても、操作反力の制御のために反力アクチュエータを付設することができる。この場合には、ステア・バイ・ワイヤシステムにおける前述の問題と同様の問題に遭遇することになる。
そこで、この発明の目的は、操作反力の検出分解能を向上することができ、これにより、反力アクチュエータを精度良く制御して、操舵フィーリングの向上を図ることができる車両用操舵装置を提供することである。

上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、操作部材（１）に操作反力を付与するための反力アクチュエータ（１９）を備えた車両用操舵装置であって、前記操作部材の操舵状態を検出するための操舵状態検出手段（１１）と、この操舵状態検出手段によって検出される操舵状態に応じて前記反力アクチュエータを制御する反力制御手段（２０，３２）と、前記操作部材に付与される操作反力を検出する操作反力検出手段（１２）とを含み、前記反力制御手段は、中点を含む所定範囲内の操舵状態が前記操舵状態検出手段によって検出されるときは、前記操作反力検出手段によって検出される操作反力に基づいて前記反力アクチュエータをフィードバック制御する一方で、前記所定範囲外の操舵状態が前記操舵状態検出手段によって検出されるときは、前記操作反力検出手段によって検出される操作反力をフィードバックせずに前記反力アクチュエータを制御するオープンループ制御を行うものである、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。以下、この項において同じ。

この構成によれば、中点を含む所定範囲内の操舵状態に対しては、操作反力検出手段によって検出される操作反力に基づいて反力アクチュエータがフィードバック制御される一方で、前記所定範囲外の操舵状態に対しては、オープンループ制御が行われる。したがって、操作反力検出手段の出力は、前記中点を含む所定範囲内の操舵状態に対応する範囲についてのみ意味があり、この範囲外の操舵状態においては、操作反力検出手段の出力は反力アクチュエータの制御にフィードバックされない。

そこで、操作反力検出手段の出力信号をディジタル信号に変換して、反力制御手段を構成するマイクロコンピュータ（２０）に取り込む際に、反力アクチュエータの制御にフィードバックされる出力範囲に関してのみディジタル信号に変換すれば十分である。このようにすることによって、操作反力検出手段の出力範囲全体をディジタル信号に変換していた従来技術に比較して、反力アクチュエータの制御にフィードバック制御される出力範囲を高分解能でディジタル信号化することができる。その結果、反力アクチュエータの制御精度が高くなり、制御性を向上して、操舵フィーリングを改善することができる。

一方、前記所定範囲外の操舵状態に関しては、操作反力が大きくなる範囲であることから、操作反力をさほど高精度に制御すべき必要性は少ない。したがって、前記所定範囲外の操舵状態のときの操舵フィーリングが悪化することもない。
請求項２記載の発明は、前記操舵状態検出手段が、操舵角を検出する操舵角検出手段（１１）を含む、請求項１記載の車両用操舵装置である。この構成によれば、操舵角中点付近の所定の操舵角範囲内では、操作反力検出手段の出力に基づいて反力アクチュエータがフィードバック制御される。これにより、操作反力が微小な操舵角範囲では、反力アクチュエータの高精度制御が行われる結果、操舵フィーリングが向上される。一方、前記所定の操舵角範囲外では、反力アクチュエータの制御はオープンループ制御となるが、このような操舵角範囲では、反力アクチュエータから大きな操作反力が発生されることになるため、フィードバック制御をしなくとも、操舵フィーリングが悪化することはない。こうしていずれの操舵角においても、良好な操舵フィーリングを得ることができる。

請求項３記載の発明は、前記操作反力検出手段が、前記操作部材に加えられる操舵トルクを検出するトルク検出手段（１２）を含む、請求項１または２記載の車両用操舵装置である。この構成によれば、操作反力として、操作部材に加えられる操舵トルクが検出される。これにより、運転者が操作部材に加えている操舵トルクを操作反力として検出できるので、反力アクチュエータをより適切に制御することができる。

請求項４記載の発明は、前記反力制御手段は、前記操作反力検出手段の出力信号をアナログ／ディジタル変換するアナログ／ディジタル変換手段（４０）を含み、このアナログ／ディジタル変換手段によってディジタル信号に変換された操作反力信号に基づいて前記反力アクチュエータをフィードバック制御するものである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の車両用操舵装置である。

この構成において、アナログ／ディジタル変換手段の入力信号範囲に対して、操作反力検出手段の出力範囲のうち、反力アクチュエータのフィードバック制御に適用される所定出力範囲を割り当てておけばよい。これにより、前記所定出力範囲の信号を高分解能でディジタル信号に変換することができる。そして、このような高分解能ディジタル信号に基づいて反力アクチュエータのフィードバック制御を行うことによって、反力アクチュエータを高精度に制御することができ、優れた操舵フィーリングを実現することができる。

より具体的には、前記反力制御手段は、前記操作反力検出手段の出力信号を受け付ける入力ポート（２６）と、この入力ポートに接続された前記アナログ／ディジタル変換手段（４０）とを有するマイクロコンピュータ（２０）であってもよい。この構成により、マイクロコンピュータの入力信号範囲に操作反力検出手段の意味のある出力範囲を割り当てることによって、とくに中点付近の所定範囲の操舵状態に関して、反力アクチュエータを高精度に制御できる。これにより、操舵フィーリングを向上できる。

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、この発明の第１の実施形態に係る車両用操舵装置の構成を説明するための図解図であり、ステア・バイ・ワイヤシステムの構成が示されている。この車両用操舵装置は、車両の操向のために運転者が操作する操作部材としてのステアリングホイール１と、ステアリングホイール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と、操舵用アクチュエータ２の駆動力を舵取り車輪としての前方左右車輪４に伝達するステアリングギヤ３とを備えている。ステアリングホイール１と、操舵用アクチュエータ２等を含む舵取り機構５との間には、ステアリングホイール１に加えられた操舵トルクが舵取り機構５に機械的に伝達されるような機械的な結合はなく、ステアリングホイール１の操作量（操舵角または操舵トルク）に応じて操舵用アクチュエータ２が駆動制御されることによって、車輪４が転舵されるようになっている。

操舵用アクチュエータ２は、例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できる。ステアリングギヤ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の直線運動（車両左右方向の直線運動）に変換する運動変換機構を有する。ステアリングロッド７の動きがタイロッド８およびナックルアーム９を介して車輪４に伝達され、車輪４のトー角（転舵角）が変化する。ステアリングギヤ３は、公知のものを用いることができ、操舵用アクチュエータ２の動きを舵角が変化するように車輪４に伝達できれば構成は限定されない。なお、操舵用アクチュエータ２が駆動されていない状態では、車輪４がセルフアライニングトルクにより直進操舵位置に復帰できるようにホイールアラインメントが設定されている。

ステアリングホイール１は、車体側に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に作用する反力トルクを発生する反力アクチュエータ１９が設けられている。この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できる。

車体と回転シャフト１０との間には、ステアリングホイール１を直進操舵位置に復帰させる方向の弾力を付与する弾性部材３０が設けられている。この弾性部材３０は、たとえば、回転シャフト１０に弾力を付与するバネにより構成できる。反力アクチュエータ１９が回転シャフト１０にトルクを付加していないとき、ステアリングホイール１は、弾性部材３０の弾力により、直進操舵位置に復帰する。

ステアリングホイール１の操舵角（回転角）δｈを検出するために、回転シャフト１０の回転角を検出する角度センサ１１（操舵角検出手段）が設けられている。また、車両の運転者がステアリングホイール１に作用させる操舵トルクＴｈ（実質的に操作反力に等しい。）を検出するために、回転シャフト１０により伝達されるトルクを検出するトルクセンサ１２（トルク検出手段）が設けられている。さらに、車両の舵角（舵取り機構５の転舵角）δを検出するための舵角センサ１３が、当該舵角に対応す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により構成されている。また、車速Ｖを検出する速度センサ１４、車両の横加速度Ｇｙを検出する横加速度センサ１５、および車両のヨーレートγを検出するヨーレートセンサ１６が設けられている。

これらの角度センサ１１、トルクセンサ１２、舵角センサ１３、速度センサ１４、横加速度センサ１５およびヨーレートセンサ１６は、マイクロコンピュータにより構成される制御装置２０にそれぞれ接続されている。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および反力アクチュエータ１９を制御するようになっている。
図２は、制御装置２０の制御ブロック図を示す。ステアリングホイール１には、運転者が操舵トルクＴｈを加え、反力アクチュエータ１９が反力トルクＴｍを加える。トルクセンサ１２が出力するアナログトルク信号は、制御装置２０の入力ポート２６から当該制御装置２０内のＡ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換部４０に入力されてディジタルトルク信号に変換され、このディジタル信号の形態で制御装置２０に取り込まれて、その内部での演算に用いられる。

ステアリングホイール１の操作量としての操舵角δｈは角度センサ１１によって検出されて、制御装置２０に入力される。また、当該車両用操舵装置が搭載された車両１００の横加速度Ｇｙ、ヨーレートγおよび車速Ｖが、それぞれ、横加速度センサ１５、ヨーレートセンサ１６および速度センサ１４から制御装置２０に入力されるようになっている。制御装置２０は、所定のプログラムを実行することによってソフトウェア的に実現される機能処理部として、目標転舵角演算部３１と、反力制御部３２と、目標電流演算部３３とを備えている。目標転舵角演算部３１は、操舵角δｈ、横加速度Ｇｙ、ヨーレートγおよび車速Ｖ、ならびに伝達関数Ｇ１に基づいて、目標転舵角δ^*を求める。反力制御部３２は、操舵角δｈに基づいて、目標反力トルクＴｍ^*を求め、この目標反力トルクに基づいて反力アクチュエータ１９を制御する。目標電流演算部３３は、目標転舵角δ^*および伝達関数Ｇ２に基づいて操舵用アクチュエータ２に供給すべき目標電流値ｉ^*を演算する。

制御装置２０は、目標電流演算部３３によって求められる目標電流値ｉ^*に対応する電流を駆動回路２２から操舵用アクチュエータ２に供給する。その結果、車両１００の挙動が変化する。また、制御装置２０は、目標反力トルクＴｍ^*に応じて、駆動回路２３を介して、反力アクチュエータ１９を制御する。
反力制御部３２は、目標反力トルク演算部３５と、偏差演算部３６と、ゲイン調整部３７と、切り換え部３８と、電流制御部３９とを有している。目標反力トルク演算部３５は、操舵角δｈにゲインＫ１を乗じて目標反力トルクＴｍ^*を演算する。偏差演算部３６は、目標反力トルクＴｍ^*とＡ／Ｄ変換部４０からのディジタル信号で表される操舵トルクＴｈとの偏差ε（＝Ｔｍ^*−Ｔｈ）を求める。ゲイン調整部３７は、この偏差εに対してゲインＫ２を乗じる。切り換え部３８は、角度センサ１１によって検出される操舵角δｈに基づいて、ゲイン調整された偏差Ｋ２・εと目標反力トルクＴｍ^*とのいずれかを選択して、電流制御部３９に与える。電流制御部３９は、切り換え部３８から与えられる値に対応した目標駆動値（たとえば目標電流値）を定め、反力アクチュエータ１９の実際の駆動値（たとえば電流値）が当該目標駆動値となるようにフィードバック制御（電流フィードバック制御）する。

切り換え部３８が、ゲイン調整部３７の出力を選択するときは、操舵トルクＴｈが反力アクチュエータ１９の制御のためにフィードバックされる。すなわち、反力アクチュエータ１９は、実際の操作反力が目標反力トルクＴｍ^*に一致するようにフィードバック制御される。一方、切り換え部３８が、目標反力トルク演算部３５が出力する目標反力トルクＴｍ^*を選択するときには、操舵トルクＴｈをフィードバックすることなく反力アクチュエータ１９が制御される。すなわち、反力アクチュエータ１９の制御形態は、オープンループ制御となる。

図３(a)は操舵角δｈと目標反力トルク演算部３５が演算する目標反力トルクＴｍ^*との関係を示す図であり、図３(b)は操舵角δｈと切り換え部３８の切り換え動作との関係を示す図である。切り換え部３８は、操舵角δｈの絶対値が所定値α（＞０。たとえば、α＝１８０°）以下の中央範囲では、ゲイン調整部３７の出力を選択する。したがって、この中央範囲では、反力アクチュエータ１９は、操舵トルクＴｈに基づいてフィードバック制御される。一方、切り換え部３８は、操舵角δｈの絶対値が前記所定値αを超える範囲では、目標反力トルク演算部３５の出力を選択する。したがって、この範囲では、反力制御のための操舵トルクＴｈのフィードバック制御は行われず、反力アクチュエータ１９はオープンループ制御によって駆動される。

一方、目標反力トルク演算部３５は、前記中央範囲では、操舵角δｈの絶対値の増加に応じて比較的緩やかに（この実施形態ではリニアに）増加するように目標反力トルクＴｍ^*を設定する。そして、前記所定値αを超える範囲では、操舵角δｈの絶対値の増加に応じて比較的急峻に増加するように目標反力トルクＴｍ^*を設定する。より具体的には、この実施形態においては、操舵角δｈの絶対値が前記所定値αよりも若干大きな操舵角δｈに対応する転換点５０までは、操舵角δｈの絶対値の増加に対する目標反力トルクＴｍ^*の増加は緩慢であるが、この転換点５０を超える大きな絶対値の操舵角δｈに対しては、目標反力トルクＴｍ^*が急激に増加するようになっている。

前記所定値αは、全操舵角範囲の両端付近（いわゆる端当て付近）よりも小さく設定されている。より具体的には、±α以内の操舵角範囲が、全操舵角範囲の７５％程度となるように、前記所定値αが定められている。
反力アクチュエータ１９のフィードバック制御のために用いられる操舵トルクＴｈの範囲ΔＴｈは、前記中央範囲に対応する。したがって、このトルク範囲ΔＴｈに関してのみ、トルクセンサ１２の出力が制御装置２０に取り込まれれば十分である。

そこで、この実施形態では、前記トルク範囲ΔＴｈが、Ａ／Ｄ変換部４０の全入力電圧範囲に対応付けられている。このような対応付けは、たとえば、トルクセンサ１２の出力信号を増幅するセンサアンプ（図示せず）のゲインを適切に調節することによって行うことができる。
したがって、Ａ／Ｄ変換部４０は、トルク範囲ΔＴｈのアナログトルク信号に関してのみ、そのアナログトルク信号に対応するディジタルトルク信号に変換する。その結果、全トルク範囲ΔＡのアナログトルク信号をディジタルトルク信号に変換する場合に比較して、トルク範囲ΔＴｈに関しては、格段に分解能の高いディジタルトルク信号が制御装置２０に取り込まれることになる。

以上のように、この実施形態によれば、操舵角δｈが中央範囲の値のときは、高分解能で取り込まれた操舵トルクＴｈに基づいて反力アクチュエータ１９がフィードバック制御される。これにより、反力アクチュエータ１９が高精度に制御されることになるから、操舵フィーリングを向上することができる。一方、操舵角δｈが所定値αを超える範囲の値のときは、操舵トルクＴｈはフィードバックせずに、オープンループ制御によって反力アクチュエータ１９が駆動される。端当て付近では、目標反力トルクＴｍ^*が大きいので、この範囲では微妙な反力制御はあまり意味がない。したがって、所定値αを超える範囲の操舵角δｈに対するオープンループ制御には、操舵フィーリングを悪化させることなく、制御を簡単にできるという利点がある。

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、さらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、ステア・バイ・ワイヤシステムを例にとったが、同様な制御は、操舵角と転舵角との関係が可変な可変ギヤ比型操舵装置に対しても適用することができる。この場合、ステアリングホイールと舵取り車輪との間は、必ずしも機械的に切り離されている必要はなく、たとえば、可変伝達比ユニットを介して両者間が機械的に結合されていてもよい。また、電動パワーステアリング装置、電動ポンプ式パワーステアリング装置および油圧式パワーステアリング装置などでも、ステアリングホイールに与える反力を制御する構成に対して、この発明を適用することが可能である。

その他、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。

この発明の一実施形態に係る車両用操舵装置の構成を説明するための図解図である。 前記車両用操舵装置の制御ブロック図である。 (a)は操舵角と目標反力トルクとの関係を示す図であり、(b)は操舵角と制御態様切り換えとの関係を示す図である。

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…角度センサ、１２…トルクセンサ、２０…制御装置、２６…入力ポート、３２…反力制御部、３５…目標反力トルク演算部、３６…偏差演算部、３７…ゲイン調整部、３８…切り換え部、３９…電流制御部、４０…Ａ／Ｄ変換部

Claims (4)

1. 操作部材に操作反力を付与するための反力アクチュエータを備えた車両用操舵装置であって、
   前記操作部材の操舵状態を検出するための操舵状態検出手段と、
   この操舵状態検出手段によって検出される操舵状態に応じて前記反力アクチュエータを制御する反力制御手段と、
   前記操作部材に付与される操作反力を検出する操作反力検出手段とを含み、
   前記反力制御手段は、中点を含む所定範囲内の操舵状態が前記操舵状態検出手段によって検出されるときは、前記操作反力検出手段によって検出される操作反力に基づいて前記反力アクチュエータをフィードバック制御する一方で、前記所定範囲外の操舵状態が前記操舵状態検出手段によって検出されるときは、前記操作反力検出手段によって検出される操作反力をフィードバックせずに前記反力アクチュエータを制御するオープンループ制御を行うものである、車両用操舵装置。
2. 前記操舵状態検出手段が、操舵角を検出する操舵角検出手段を含む、請求項１記載の車両用操舵装置。
3. 前記操作反力検出手段が、前記操作部材に加えられる操舵トルクを検出するトルク検出手段を含む、請求項１または２記載の車両用操舵装置。
4. 前記反力制御手段は、前記操作反力検出手段の出力信号をアナログ／ディジタル変換するアナログ／ディジタル変換手段を含み、このアナログ／ディジタル変換手段によってディジタル信号に変換された操作反力信号に基づいて前記反力アクチュエータをフィードバック制御するものである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の車両用操舵装置。
   
   

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