JP2009113510A - 車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ドライバの操舵遅れを効果的に補償するとともに舵角のオーバーシュートを防止した車両用操舵装置を提供する。
【解決手段】ドライバが操舵操作を入力する操舵入力部３０と、操舵入力部の操作量の微分値を検出する微分値演算手段９０，９１と、操舵入力部の操作量に応じた基礎舵角に付加される付加舵角を微分値に応じて演算する付加舵角演算手段９１と、基礎舵角及び付加舵角に応じて前輪を操向する操舵機構部５０，８０とを備える車両用操舵装置１を、付加舵角演算手段は、微分値にハイパスフィルタ処理を施した値に所定のゲインを乗じて付加舵角を演算する構成とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車等の車両の前輪を操舵する操舵装置に関し、特に、操舵操作量の微分値に応じた舵角を付加する微分ステアリング制御を備えた操舵装置に関するものである。

自動車の操舵装置は、一般に、ステアリングホイールの回転運動を、ステアリングシャフトを介してステアリングギヤボックスに伝達し、ここで車幅方向の直進運動に変換して前輪を操向している。
近年、例えばステアリングシャフトの途中にアクチュエータを有する舵角補正機構を配置し、ステアリングホイールの操作量に対して舵角補正機構の作動角を重畳させて前輪の実舵角を制御する操舵装置が提案されている。このようなアクチュエータを備えた操舵装置は、例えば車両の走行速度に応じて見かけ上のステアリングギヤ比を変化させるステアリングギヤ比可変制御や、車両に不安定な挙動が生じた際に、自動的に舵角を修正して車両を復元させる制御等が可能となり、アクティブステアリングと通称されている。

上述した操舵装置において、ステアリングホイール操作量に応じた舵角に、ステアリングホイール操作量の微分値に比例した付加舵角を付加する、いわゆる微分ステアリング制御を行うこと知られている（例えば、非特許文献１参照）。このような微分ステアリング制御を行うと、ドライバの操舵操作の遅れを補償して車両ヨー運動の応答性を高めることができる。
また、アクティブステア制御を行う車両用操舵装置において、反力トルクの変動を抑制することを目的として、モータ駆動に基づく舵角の角速度、角加速度が所定値を超えないようにガードすることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
鈴村将人他著「フロントステア制御システムの開発」社団法人自動車技術会学術講演会前刷集Ｎｏ．３４−０３ 特開２００６−３３５２５０号公報

しかし、微分ステアリング制御を行う場合、例えば障害物を緊急回避する場合のようにドライバの操舵速度が速い場合には、微分値に応じた付加舵角が過度に大きくなって、前輪実舵角がドライバの意図する目標舵角よりも大きく切り込まれるオーバーシュートが生じる場合があった。この場合、前輪は目標舵角以上に切り込まれた後に切り戻されることになり、ドライバが意図しない過剰なヨー運動を発生させ、ドライバに強い違和感を与えることになる。
これに対し、微分値に応じた付加舵角のゲインを下げることによってオーバーシュートの影響を低減することは可能であるが、この場合微分ステアリング制御によってドライバの操舵遅れを補償する効果も減殺されてしまう。
上述した問題に鑑み、本発明は、ドライバの操舵遅れを効果的に補償するとともに舵角のオーバーシュートを防止した車両用操舵装置を提供することを課題とする。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１の発明は、ドライバが操舵操作を入力する操舵入力部と、前記操舵入力部の操作量の微分値を演算する微分値演算手段と、前記操舵入力部の操作量に応じた基礎舵角に付加される付加舵角を前記微分値に応じて演算する付加舵角演算手段と、前記基礎舵角及び前記付加舵角に応じて前輪を操向する操舵機構部とを備える車両用操舵装置において、前記付加舵角演算手段は、前記微分値にハイパスフィルタ処理を施した値に所定のゲインを乗じて前記付加舵角を演算することを特徴とする車両用操舵装置である。

請求項２の発明は、請求項１に記載の車両用操舵装置において、前記付加操舵角演算手段は、前記微分値の符号と該微分値にハイパスフィルタ処理を施した値の符号とが反転した場合には、前記付加舵角を実質的にゼロとすることを特徴とする車両用操舵装置である。
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の車両用操舵装置において、前記ハイパスフィルタ処理におけるフィルタの時定数が、前記微分値の絶対値の減少に応じて減少することを特徴とする車両用操舵装置である。

本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）微分値に低周波成分を除去するハイパスフィルタ処理を施すことによって減衰特性を与え、この値に基づいて付加舵角を演算することによって、舵角のオーバーシュートを防止することができる。
（２）微分値の符号と微分値にハイパスフィルタ処理を施した値の符号とが反転した場合には、付加舵角を実質的にゼロとすることによって、付加舵角がマイナス（舵角切戻し）となるアンダーシュートの発生を防止することができる。
（３）ハイパスフィルタ処理におけるフィルタの時定数を、微分値の絶対値の減少に応じて減少させることによって、ドライバのステアリング操作が収束しつつある場合にフィルタの時定数を小さくして通常の微分ステアリング制御に近づけ、付加舵角のアンダーシュートの発生を防止することができる。

本発明は、ドライバの操舵遅れを効果的に補償するとともに舵角のオーバーシュートを防止した車両用操舵装置を提供する課題を、ステアリングホイール舵角の微分値にハイパスフィルタ処理を施して減衰特性を与え、処理後の微分値に所定のゲインを乗じて付加舵角を演算することによって解決した。

以下、本発明を適用した車両用操舵装置の実施例１について説明する。
実施例１の操舵装置は、例えば４輪の乗用車の前輪を操舵するものである。
図１は、実施例１の操舵装置の構成を示す図である。なお、左右設けられる構成要素に関しては、左右それぞれＬ，Ｒの添え字を付して図示する。
操舵装置１は、左右の前輪１０及びハウジング２０を操向するものである。
ハウジング２０は、前輪１０を回転可能に支持する図示しないハブベアリングユニットを収容する部材である。ハウジング２０は、操向軸線（キングピン軸）から車両後方側へ突出したナックルアーム２１を備えている。

操舵装置１は、ステアリングホイール３０、アッパステアリングシャフト４０、舵角補正機構５０、ロワステアリングシャフト６０、ジョイント部７０、ステアリングギヤボックス８０、操舵制御部９０、モータ駆動部１００等を備えて構成されている。
ステアリングホイール３０は、ドライバが操舵操作を入力する操舵入力部である。
アッパステアリングシャフト４０は、ステアリングホイール３０と舵角補正機構５０とを連結し、ステアリングホイール３０の回転を舵角補正機構５０の後述するサンギヤ５１に伝達する回転軸である。

舵角補正機構５０は、アッパステアリングシャフト４０からの入力舵角に、所望の付加舵角を重畳させてロワステアリングシャフト６０に伝達するものである。付加舵角は、舵角補正機構５０がアッパステアリングシャフト４０に対してロワステアリングシャフト６０を回転させることによって発生する。
舵角補正機構５０は、サンギヤ５１，５２、プラネタリギヤ５３，５４、ピニオン軸５５、キャリヤ５６、モータ５７、ドライブギヤ５８、ドリブンギヤ５９等を備えて構成されている。

サンギヤ５１は、アッパステアリングシャフト４０の舵角補正機構５０側の端部に固定されている。
サンギヤ５２は、ロワステアリングシャフト６０の舵角補正機構５０側の端部に固定されている。
これらのサンギヤ５１，５２は、その回転中心軸が一致して配置されている。

プラネタリギヤ５３，５４は、それぞれサンギヤ５１，５２と噛合されている。
これらのプラネタリギヤ５３，５４は、その回転中心軸が一致して配置されている。
ピニオン軸５５は、プラネタリギヤ５３，５４が両端部にそれぞれ固定された回転軸である。
キャリヤ５６は、ピニオン軸５５及びプラネタリギヤ５３，５４を、サンギヤ５１，５２のそれぞれに対してこれらと同じ回転中心軸回りに公転可能に支持するとともに、ピニオン軸５５の中心軸回りに自転可能に支持する部材である。

モータ５７は、モータ駆動部１００によって駆動され、キャリヤ５６を回転駆動することによって所望の付加舵角を発生させるものである。
ドライブギヤ５８は、モータ５７の出力軸に固定されている。
ドリブンギヤ５９は、キャリヤ５６のステアリングホイール３０側の端部外径側に設けられ、ドライブギヤ５８と噛合され、ドライブギヤ５８によって駆動される。

ロワステアリングシャフト６０は、舵角補正機構５０とジョイント部７０とを連結し、舵角補正機構５０のサンギヤ５２の回転をジョイント部７０に伝達する回転軸である。
ジョイント部７０は、ロワステアリングシャフト６０とステアリングギヤボックス８０のピニオン軸８１とを連結し、ロワステアリングシャフト６０の回転を、方向を変えつつピニオン軸８１に伝達する。
ジョイント部７０は、直列に配置されたユニバーサルジョイント７１，７２、及び、これらを連結するジョイント軸７３を備えている。

ステアリングギヤボックス８０は、ピニオン軸８１から入力される回転運動を、図示しないステアリングラックの車幅方向の直進往復運動に変換するラックアンドピニオン機構を備えている。
また、ステアリングギヤボックス８０は、車幅方向の両端部に、ステアリングラックの動きをハウジング２０のナックルアーム２１に伝達するタイロッド８２を備えている。

操舵制御部９０は、ステアリングホイール３０の回転中心軸回りにおける位置（角度）を検出する舵角センサ９１を備え、この舵角センサ９１の出力に応じて、舵角補正機構５０で付加される付加舵角を演算する付加舵角演算手段である。また、操舵制御部９０は、舵角センサ９１の出力を微分して微分値を算出する機能を備え、舵角センサ９１と協働して本発明にいう微分値演算手段としても機能する。
舵角センサ９１は、例えばステアリングコラムに設けられ、アッパステアリングシャフト４０の回転と連動して相対移動するように配置された磁性体と磁気検出素子とを備え、磁気検出素子の出力に応じてアッパステアリングシャフト４０の角度（ステアリングホイール３０の角度と等しい）を検出する。
なお、操舵制御部９０における付加舵角の演算については、後に詳しく説明する。
モータ駆動部１００は、操舵制御部９０が演算した付加舵角に応じて、舵角補正機構５０のモータ５７を駆動し、舵角補正機構５０が目標とする付加舵角を発生するように制御するものである。

次に、上述した操舵装置１における付加舵角の演算について説明する。
操舵制御部９０は、舵角センサ９１が検出したステアリングホイール３０の角度θ_Hを微分してステアリングホイール角速度（微分値）を算出し、このステアリングホイール角速度から低周波成分を除去するハイパスフィルタ処理を施した値に基づいて付加舵角を演算する。

ハイパスフィルタ処理後のステアリングホイール角速度は、以下の式１によって求めることができる。

しかし、式１によってハイパスフィルタ処理後のステアリングホイール角速度を求めると、この値の符号がステアリングホイール角速度に対して反転する（アンダーシュートする）場合がある。この場合、単純にハイパスフィルタ処理後のステアリングホイール角速度にゲインを乗じて付加舵角を演算すると、舵角の切戻しが生じて車両のヨー運動の応答性が却って低下し、ドライバに違和感を与えてしまう。
そこで、操舵制御部９０は、式２に示すように、ハイパスフィルタ処理後のステアリングホイール角速度の符号がステアリングホイール角速度の符号に対して反転した場合には、ハイパスフィルタ処理後のステアリングホイール角速度をゼロとするガード処理を行う。

操舵制御部９０は、舵角補正機構５０によるアッパステアリングシャフト４０に対するロワステアリングシャフト６０の回転角が、ハイパスフィルタ処理及びガード処理後のステアリングホイール角速度に、所定のゲインＫ_ｄを乗じた値となるように、モータ制御部１００にモータ５７を駆動させる。
このとき、舵角補正機構５０の動作によって前輪１０が切り増される前輪付加舵角δ_{f_a}は、以下の式３によって表される。

このとき、前輪１０の実舵角は、δ_ｆ＋δ_{f_a}となる。ここで、舵角δ_ｆは、舵角補正機構５０によって舵角補正を行わない場合（モータ５７を駆動しない場合）における前輪の舵角である。

次に、上述した実施例１の効果を、以下説明する本発明の比較例１，２と対比して説明する。なお、比較例１，２において、実施例１と実質的に同様の箇所については説明を省略し、主に相違点について説明する。
比較例１は、ステアリングホイール角速度に応じた付加舵角を与えない（微分ステアリング制御を行わない）既存の操舵装置である。
比較例２は、ステアリングホイール角速度にハイパスフィルタ処理を施さず、この角速度に所定のゲインを乗じて付加舵角を設定している操舵装置である。

図２（ａ）は、実施例１及び比較例１，２において、同じ操舵操作を行った際の舵角履歴の一例を示すグラフである。図２（ａ）において、横軸は時間、縦軸は前輪の実舵角をそれぞれ示している。
図２（ｂ）は、実施例１及び比較例２におけるステアリングホイール角速度（実施例１はハイパスフィルタ処理後の値）の履歴の一例を示すグラフである。図２（ｂ）において、横軸は時間、縦軸は値の大きさを示している。
なお、図２（ａ）と図２（ｂ）とは、横軸のスケールが一致するように図示している。
図２において、実施例１、比較例１，２を、それぞれ実線、破線、一点鎖線によって示す。

図２（ａ）に示すように、微分ステアリング制御を行わない比較例１においては、ドライバの操舵遅れによって、初期における舵角の立ち上がりが遅くなり、その結果、車両に発生するヨー運動の発生も遅れてしまう。
これに対し、ステアリングホイール角速度にハイパスフィルタ処理を施さない微分ステアリング制御を行う比較例２の場合には、初期における舵角の立ち上がりが比較例１に対して早くなり、早期に車両のヨー運動を発生させることができる。しかし、比較例２では、舵角が一旦ドライバの意図する目標舵角よりも大きく切り込まれ、その後目標舵角まで戻される舵角のオーバーシュートが発生し、ドライバに違和感を与えてしまう。

これに対し、実施例１によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）ステアリングホイール角速度に対して低周波成分を除去するハイパスフィルタ処理を施すことによって減衰特性を与え、この値に基づいて付加舵角を演算することによって、微分ステアリング制御の効果を確保するためゲインを大きくした場合であっても、舵角のオーバーシュートを防止することができる。
（２）ステアリングホイール角速度の符号とその微分値にハイパスフィルタ処理を施した値の符号とが反転した場合には、付加舵角をゼロとすることによって、付加舵角がマイナス（舵角切戻し）となるアンダーシュートの発生を防止することができる。

次に、本発明を適用した車両用操舵装置の実施例２について説明する。
実施例２の車両用操舵装置においては、上述した実施例１における式２の処理を行うことに代えて、式１におけるハイパスフィルタの時定数Ｔを、以下の式４によって求めるようにしている。

すなわち、実施例２においては、フィルタ時定数Ｔは、ステアリングホイール角速度の低下（操舵操作の収束）に応じて連続的に低減する。そして、ステアリングホイールが目標舵角まで回されて保舵状態になり、操舵速度（ステアリングホイール３０の角速度）がゼロになると、時定数Ｔがゼロとなり、ハイパスフィルタ処理を行わない状態となる。
以上説明した実施例２においても、付加舵角のオーバーシュート及びアンダーシュートを防止することができ、上述した実施例１と同様の効果を得ることができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
（１）各実施例の操舵装置は、ステアリングコラムの途中にプラネタリギヤ式の舵角補正機構を設ける構成としているが、舵角補正機構の構成はこれに限らず適宜変更することができる。例えば、波動歯車装置を用いた舵角補正機構を用いてもよい。また、本発明はこのような舵角補正機構を用いたものに限らず、例えばステアリングホイールとステアリングギヤボックスとが機械的に接続されていないいわゆるステア・バイ・ワイヤの操舵装置にも適用することができる。
（２）各実施例の操舵装置は、舵角補正機構による付加舵角としてステアリングホイール操作量の微分値に応じたもののみを用いているが、これを他の制御に基づく付加舵角と合成して用いてもよい。例えば、車両の走行速度に応じて見かけ上のステアリングギヤ比を変化させる可変ギヤ比制御に基づく付加舵角や、車両にオーバーステア、アンダーステア等の挙動が生じた際に、挙動を安定化させるために設定される付加舵角と、本発明による付加舵角とを重畳する構成としてもよい。
（３）操舵装置の機械的、ハードウェア的構成は上述した各実施例のものに限定されない。例えば、舵角補正機構の構造、配置や、ステアリングギヤボックスのキングピン軸に対する後置き、前置き等は適宜変更することができる。また、各制御手段を共通のＥＣＵに統合したり、複数のＥＣＵに分散することも可能である。
（４）実施例１におけるハイパスフィルタ処理後の微分値の絶対値ガードと、実施例２における微分値に応じたフィルタ時定数の変化とを、同時に行ってもよい。
（５）各実施例では、舵角センサの出力を微分して操舵入力部の操作量の微分値を得ているが、これに限らず、操舵入力部の操作速度を検出する速度センサを設け、この出力を微分値として用いてもよい。

本発明を適用した車両用操舵装置の実施例１の構成を示す図である。 図１の車両用操舵装置におけるステアリングホイール角、操舵速度及び前輪実舵角の時間履歴の一例を示すグラフである。

符号の説明

１ 操舵装置 １０ 前輪
２０ ハウジング ２１ ナックルアーム
３０ ステアリングホイール ４０ アッパステアリングシャフト
５０ 舵角補正機構 ５１，５２ サンギヤ
５３，５４ プラネタリギヤ ５５ ピニオン軸
５６ キャリヤ ５７ モータ
５８ ドライブギヤ ５９ ドリブンギヤ
６０ ロワステアリングシャフト ７０ ジョイント部
７１，７２ ユニバーサルジョイント ７３ ジョイント軸
８０ ステアリングギヤボックス ８１ ピニオン軸
９０ 操舵制御部 ９１ 舵角センサ
１００ モータ駆動部

Claims (3)

1. ドライバが操舵操作を入力する操舵入力部と、
   前記操舵入力部の操作量の微分値を演算する微分値演算手段と、
   前記操舵入力部の操作量に応じた基礎舵角に付加される付加舵角を前記微分値に応じて演算する付加舵角演算手段と、
   前記基礎舵角及び前記付加舵角に応じて前輪を操向する操舵機構部と
   を備える車両用操舵装置において、
   前記付加舵角演算手段は、前記微分値にハイパスフィルタ処理を施した値に所定のゲインを乗じて前記付加舵角を演算すること
   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、
   前記付加操舵角演算手段は、前記微分値の符号と該微分値にハイパスフィルタ処理を施した値の符号とが反転した場合には、前記付加舵角を実質的にゼロとすること
   を特徴とする車両用操舵装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の車両用操舵装置において、
   前記ハイパスフィルタ処理におけるフィルタの時定数が、前記微分値の絶対値の減少に応じて減少すること
   を特徴とする車両用操舵装置。

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