JP2010168008A - ステアリング装置、ステアリング制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】路面反力の周波数特性に起因した、操舵反力の不足を補償する。
【解決手段】運転者のステアリング操作に応じて操向輪を転舵制御する際に、操向輪の路面反力を検出し、検出した路面反力に応じてステアリング操作系に操舵反力Ｔｒを付与するものであって、検出した路面反力に対して、車速Ｖが高いほどゲインを大きくし且つ位相を進ませる非干渉化フィルタ処理を実行することにより、ステアリング操作系に付与する操舵反力Ｔｒを、路面反力の周波数特性に応じて補償する。また、そのときの補償量を、ステアリング操作が切り増し時であるか切り戻し時であるかに応じて変更すると共に、所定の上限値以下に制限する。
【選択図】図５

Description

本発明は、ステアリング装置、ステアリング制御方法に関するものである。

従来、ステアリングバイワイヤにおいて、路面からタイヤ（操向輪）に作用する外力（路面反力）の影響を操舵反力に反映するために、操舵角θやラック軸力Ｆに応じてステアリングに操舵反力を付与する反力モータに対する制御量Ｔｈを算出し、この操舵反力Ｔｈに応じて反力モータを駆動制御するものがあった（特許文献１参照）。

特開２０００−１０８９１４号公報

ところで、操舵角に対する路面反力の周波数特性として、車両の固有振動周波数の付近では、車速が高いほど、路面反力のゲインが低下すると共に、位相が遅れる傾向がある。したがって、上記特許文献１に記載された従来例のように、路面反力に応じて操舵反力を演算すると、特に高速走行している状態で早いステアリング操作がなされたときに、操舵反力が不足してしまう可能性があった。
本発明の課題は、路面反力の周波数特性に起因した、操舵反力の不足を補償することである。

本発明に係るステアリング装置は、運転者のステアリング操作に応じて操向輪を転舵制御する際に、前記操向輪に入力する路面反力を検出し、検出した路面反力に応じてステアリング操作系に操舵反力を付与するものであって、検出した路面反力に対して、車速が高いほどゲインを大きくするフィルタ処理を実行することにより、前記ステアリング操作系に付与する操舵反力を、路面反力の周波数特性に応じて補償する。

本発明に係るステアリング装置では、検出した路面反力に対して、車速が高いほどゲインを大きくするフィルタ処理を実行することにより、路面反力の周波数特性に起因した操舵反力の不足といった問題を改善することができる。

ステアリングバイワイヤの概略構成である。 コントローラのブロック図である。 操舵反力制御部のブロック図である。 基本操舵反力の算出に用いるマップである。 路面反力を補償するための非干渉化フィルタである。 操舵角に対する路面反力の周波数特性を示す。 係数ｋｈの算出に用いるマップである。 補償効果を示す。 第２実施形態を示す操舵反力制御部のブロック図である。 係数ｋｖの算出に用いるマップである。 第３実施形態を示す操舵反力制御部のブロック図である。 第２実施形態の応用例を示す操舵反力制御部のブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
《第１実施形態》
《構成》
図１は、ステアリングバイワイヤの概略構成図である。
図中、１はステアリングホイールであり、ステアリングシャフト２に連結されている。また、３Ｌ及び３Ｒは操向輪であり、ナックルアーム４、タイロッド５、及びラックアンドピニオン６を順に介してピニオンシャフト７に連結されている。ステアリングシャフト２及びピニオンシャフト７の両者は機械的に分離された非連結状態にあり、夫々、図示しないハウジング等によって回動自在に保持されている。
ステアリングシャフト２には、運転者によるステアリング操作に対して擬似的な操舵反力を発生させる反力モータ８が設けられており、ピニオンシャフト７には、ステアリングシャフト２の操舵角に応じてピニオンシャフト７を回転させて操向輪を転舵させる転舵モータ９が設けられている。

ステアリングシャフト２には、操舵角θｓ（すなわち、ステアリングシャフト２の直進状態からの回転角）を検出する操舵角センサ１１が設けられ、ピニオンシャフト７には、転舵角θｗ（すなわち、ピニオンシャフト７の直進状態からの回転角）を検出する転舵角センサ１２が設けられている。さらに、左右輪の夫々のハブユニットには、路面反力としてのタイヤ横力を検出し、検出したタイヤ横力を出力するハブセンサ１３が設けられ、変速機の出力側には、車速Ｖを検出する車速センサ１４が装着されている。なお、操舵角センサ１１及び転舵角センサ１２は、右旋回時に正の値を検出し、左旋回時に負の値を検出するように構成されている。

これら操舵角センサ１１、転舵角センサ１２、ハブセンサ１３、及び車速センサ１４で検出される各種信号が、例えばマイクロコンピュータで構成されたコントローラ１５へ入力される。
コントローラ１５は、図２に示すように、ステアリングシャフト２の操舵角θｓ及びピニオンシャフト７の転舵角θｗを入力し、操舵角θｗに応じて転舵角の目標値である転舵角目標値を算出し、算出した転舵角目標値と転舵角θｗとの偏差に基づいた転舵トルク指令値を算出して、該転舵トルク指令値に基づいて転舵モータ９を駆動することで転舵角θｗを制御する転舵角制御部２１と、タイヤ横力及び車速Ｖを入力し、反力モータ８を駆動することでステアリング操作に対する操舵反力Ｔｒを制御する操舵反力制御部２２と、で構成されている。

操舵反力制御部２２は、図３に示すように、タイヤ横力に応じて基本操舵反力Ｔｂを算出する操舵反力算出部２３と、タイヤ横力を車速Ｖに応じて補償する補償フィルタ２４と、補償フィルタ２４を通過したタイヤ横力と基本操舵反力Ｔｂとの差分ΔＴを算出する加算器２５と、差分ΔＴに対してステアリング操作に応じたヒステリシスを設定するヒステリシス設定部２６と、ヒステリシス設定部２６を通過した差分ΔＴを所定の上限値で制限するリミッタ２７と、リミッタ２７を通過した差分ΔＴを基本操舵反力Ｔｂに加算する加算器２８と、を備えている。

操舵反力算出部２３では、図４のマップを参照し、タイヤ横力に応じて基本操舵反力Ｔｂを算出する。このマップは、タイヤ横力が大きいほど、これに比例して基本操舵反力Ｔｂが大きくなるように設定されている。
補償フィルタ２４は、図５に示すように、操舵角に対するタイヤ横力（路面反力）の周波数特性に応じてゲイン及び位相を補償する非干渉化フィルタで構成される。この非干渉化フィルタは、車両の固有振動周波数の付近で、車速Ｖが高いほど、タイヤ横力のゲインを大きくし、且つ位相を進ませるように設定されており、下記の伝達関数によって表される。

Ｇγ(0) ：ヨーレート定常ゲイン
Ｔγ ：ヨーレート時定数
Ｇβ(0) ：横すべり角定常ゲイン
Ｔβ ：横すべり角時定数
ω_n ² ：固有振動数
ζ ：減衰係数
ｌ_f ：車両重心点と前車軸との距離
Ｖ ：車両の走行速度
ここで、操舵角に対するタイヤ横力（路面反力）の周波数特性について説明する。図６に示すように、一般に、車両の固有振動周波数の付近では、車速Ｖが高いほど、タイヤ横力（路面反力）のゲインが小さくなると共に、位相が遅れる傾向がある。これらは、操舵反力の低下や応答遅れを招くことがあるので、本実施形態の非干渉化フィルタによりゲインの低下や位相の遅れを補償する。すなわち、図５の非干渉化フィルタは、図６の周波数特性の逆系となるフィルタで構成されている。

ヒステリシス設定部２６では、図７のマップを参照して係数ｋｈを算出し、この係数ｋｈを差分ΔＴに乗じることでヒステリシスを設定する。このマップは、ステアリング操作が切り増し時のときには、係数ｋｈが１を維持し、ステアリング操作が切り戻し時のときに、係数ｋｈが１よりも小さくなるように設定されている。

《作用》
転舵モータ９で操向輪の転舵角θｗを転舵制御する際に、反力モータ８により、タイヤ横力に応じた操舵反力Ｔｒをステアリング系に付与することで、運転者は良好な操舵フィーリングが得られる。
ところで、操舵角に対するタイヤ横力（路面反力）の周波数特性として、車両の固有振動周波数の付近では、車速Ｖが高いほど、タイヤ横力（路面反力）のゲインが低下すると共に、位相が遅れる傾向がある（図６参照）。したがって、単にタイヤ横力（路面反力）に応じて操舵反力Ｔｒを演算すると、特に高速走行している状態で早いステアリング操作がなされたときに、操舵反力が不足してしまう可能性があった。

そこで、本実施形態では、補償フィルタ２４により、車速が高いほど、タイヤ横力（路面反力）のゲインを大きくし且つ位相を進ませることで、操舵反力Ｔｒを補償している。これにより、タイヤ横力（路面反力）の周波数特性に起因した操舵反力Ｔｒの不足や応答遅れといった問題を改善することができる。
ここでは、非干渉化フィルタ処理の実行前と実行後との差分ΔＴを補償量とし、図８に示すように、このΔＴの加算によって操舵反力Ｔｒを補償している。すなわち、操舵反力Ｔｒを演算する既存の演算処理ブロックに対して、本実施形態の補償ブロックを付加するだけの構成となるので、容易に操舵反力Ｔｒを補償することができる。

また、補償量となる差分ΔＴを、ステアリング操作が切り増し時であるか切り戻し時であるかに応じて変更することで、ステアリング操作のヒステリシスを演出し、運転者は良好な操舵フィーリングを得られる。
また、補償量となる差分ΔＴを、所定の上限値で制限することで、過大な補償（オーバーシュート）を防止することができる。

《応用例》
なお、本実施形態では、非干渉化フィルタ処理の実行前と実行後との差分ΔＴを補償量とし、このΔＴの加算によって操舵反力Ｔｒを補償しているが、これに限定されるものではない。すなわち、補償フィルタ２４を通過させたタイヤ横力（路面反力）を反力算出部２３に入力し、その補償済のタイヤ横力（路面反力）に応じて操舵反力Ｔｒを算出してもよい。これによれば、加算器２５、２８を省略することができる。

また、本実施形態では、操舵反力Ｔｒの補償について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、本実施形態の非干渉化フィルタは、タイヤ横力（路面反力）の周波数特性に起因したゲインの低下や位相遅れを改善するもの、つまりタイヤ横力（路面反力）を補償するものである。したがって、ステアリングバイワイヤの操舵反力だけではなく、タイヤ横力（路面反力）を利用するものであれば他の如何なるものにも本発明を適用することができる。

《効果》
以上より、転舵角制御部２１が「転舵制御手段」に対応し、ハブセンサ１３が「検出手段」に対応し、操舵反力制御部２２が「反力制御手段」に対応し、補償フィルタ２４が「補償手段」に対応している。
（１）運転者のステアリング操作に応じて操向輪を転舵制御する転舵制御手段と、前記操向輪に入力する路面反力を検出する検出手段と、前記転舵制御手段が前記操向輪を転舵制御する際に、前記検出手段が検出した路面反力に応じてステアリング操作系に操舵反力を付与する反力制御手段と、前記検出手段が検出した路面反力に対して、車速が高いほどゲインを大きくするフィルタ処理を実行することにより、前記反力制御手段がステアリング操作系に付与する操舵反力を、路面反力の周波数特性に応じて補償する補償手段と、を備える。
これにより、路面反力の周波数特性に起因した操舵反力の不足といった問題を改善することができる。

（２）前記補償手段は、前記検出手段が検出した路面反力に対して、車速が高いほど位相を進ませるフィルタ処理を実行することで、前記操舵反力を補償する。
これにより、路面波力の周波数特性に起因した操舵反力の応答遅れといった問題を改善することができる。
（３）前記補償手段は、前記フィルタ処理の実行前と実行後の路面反力の差分に応じて補償量を算出し、算出した補償量の加算によって前記操舵反力を補償する。
これにより、容易に操舵反力を補償することができる。

（４）前記補償手段は、前記操舵反力の補償量を、運転者のステアリング操作が切り増し操作であるか切り戻し操作であるかに応じて変更する。
これにより、ステアリング操作のヒステリシスを演出し、運転者は良好な操舵フィーリングを得られる。
（５）前記補償手段は、前記操舵反力の補償量を、所定の上限値以下に制限する。
これにより、過大な補償（オーバーシュート）を防止することができる。

（６）運転者のステアリング操作に応じて操向輪を転舵制御する際に、前記操向輪の路面反力を検出し、検出した路面反力に応じてステアリング操作系に操舵反力を付与するものであって、検出した路面反力に対して、車速が高いほどゲインを大きくするフィルタ処理を実行することにより、前記ステアリング操作系に付与する操舵反力を、路面反力の周波数特性に応じて補償する。
これにより、路面反力の周波数特性に起因した操舵反力の不足といった問題を改善することができる。

（７）操向輪の路面反力を検出し、検出した路面反力に対して、車速が高いほどゲインを大きくするフィルタ処理を実行することにより、路面反力の周波数特性に応じた補償を行う。
これにより、路面反力の周波数特性に起因した操舵反力の不足といった問題を改善することができる。

《第２実施形態》
《構成》
この第２実施形態は、タイヤ横力（路面反力）のゲインと位相を個別に調整するものである。
図９は、操舵反力制御部２２のブロック図であり、補償量としての差分ΔＴに対して新たにゲイン調整部２９を追加したものである。
ゲイン調整部２９では、図１０のマップを参照し、車速Ｖに応じた係数ｋｖを設定し、この係数ｋｖを差分ΔＴに乗じることで更にゲイン調整を行う。このマップは、車速Ｖが基準車速（例えば１００ｋｍ／ｈ）のときに、係数ｋｖが１となり、車速Ｖが基準車速よりも低くなると、係数ｋｖが１から小さくなり、車速Ｖが基準車速よりも高くなると、係数ｋｖが１から大きくなるように設定されている。さらに、車速Ｖが中速（例えば６０ｋｍ／ｈ）以下となるときは、係数ｋｖが０を維持し、車速Ｖが極高速（例えば２００ｋｍ／ｈ）以上となるときは、係数ｋｖが１.５を維持するように設定されている。

《作用》
補償フィルタ２４では、ゲイン及び位相を個別に補償することが難しい。
そこで、本実施形態では、補償量であるΔＴに対して、更に車速Ｖに応じたゲイン調整を行うので、ゲインを微調整し、最適化することができる。すなわち、補償フィルタ２４で、位相を優先的に補償すると、ゲインを最適化することが難しいが、この補償フィルタ２４を通過した後の差分ΔＴに対して、車速Ｖに応じた係数ｋｖを乗じることで、ゲインを最適化することができる。
したがって、ゲイン及び位相の双方を、最適化することができる。
また、補償フィルタ２４において、図５の中で車速Ｖに応じた特性曲線のうち、何れか一つだけを代表して有するような構成であっても、本実施形態のようにゲイン調整部２９を備えることで、少なくともゲインの低下を補償することができる。

《効果》
以上より、ゲイン調整部２９が「補償手段」に含まれる。
（１）前記補償手段は、車速が高いほど１より大きくなる係数を、前記検出手段が検出した路面反力に乗じることで、ゲインを大きくするフィルタ処理を実行する。
これにより、ゲインを最適化することができると共に、位相との個別の調整も可能になる。

《第３実施形態》
《構成》
上記第２実施形態においてはタイヤ横力に応じて基本操舵反力Ｔｂを算出し、算出した基本操舵反力Ｔｂに対してタイヤ横力のゲイン及び位相の車速に応じた変化分を補償して操舵反力Ｔｒを算出している。これは、タイヤに入力する路面反力のうちタイヤ横力が最も大きな割合を占める為であるが、タイヤに入力する路面反力はタイヤ横力のみでは無く、例えば車両挙動に伴ってタイヤに入力される成分や、タイヤの転舵駆動によってタイヤに入力される成分（すなわちタイヤの転舵駆動中に、転舵駆動に伴って入力する反力）等も含まれる。従って、操舵反力はこれらを考慮して算出された路面反力に基づいて設定される事が最も好ましい。

図１１は、上記を考慮した場合の操舵反力制御部２２内部の構成を示す。なお、図１１を含む本実施例において上記実施形態２と同一の構成には同一の符番を付し、説明は省略する。
図１１において、路面反力算出部３０はハブセンサ１３で検出されたタイヤ横力Ｆ１、転舵モータ駆動トルクＦ２、及び不図示のヨーレートセンサによって検出されたヨーレートＦ３を入力し、下記の式に基づいて路面反力を算出する。
路面反力＝（Ｇ１・Ｆ１）＋（Ｇ２・Ｆ２）＋（Ｇ３・Ｆ３）
但し、Ｇ１〜Ｇ３は実験等によって予め設定されたゲインである。

また、転舵モータ駆動トルクＦ２は、転舵トルク指令値を転舵モータ駆動トルクＦ２としても良いし、転舵モータの駆動トルクを検出するトルクセンサ等を設け、トルクセンサで検出した値であっても良い。
この様に、タイヤ横力以外の路面反力成分を考慮した路面反力に応じて操舵反力算出部２３にて基本操舵反力Ｔｂを算出し、算出した基本操舵反力Ｔｂに対して路面反力のゲイン及び位相の車速に応じた変化分を補償して操舵反力Ｔｒを設定しても良い。

《応用例》
本実施形態においては上記の通り、タイヤ横力以外の路面反力成分を考慮した路面反力に応じて操舵反力算出部２３にて基本操舵反力Ｔｂを算出し、算出した基本操舵反力Ｔｂに対して路面反力のゲイン及び位相の車速に応じた変化分を補償して操舵反力Ｔｒを設定している。しかしながら、タイヤに入力する路面反力のうちタイヤ横力が最も大きな割合を占める。このため例えば図１２に示すように、基本操舵反力Ｔｂは図１１と同様にタイヤ横力以外の路面反力成分を考慮した路面反力に応じて操舵反力算出部２３にて算出し、算出した基本操舵反力Ｔｂに対してタイヤ横力のゲイン及び位相の車速に応じた変化分を補償して操舵反力Ｔｒを設定しても良い。
また、本実施例においても第２の実施形態と同様にゲインと位相を個別に調整しても良い。
なお、本実施例においては路面反力に基づいて操舵反力を制御する内容を記載したが、路面反力成分の合計（路面からタイヤに入力する反力成分の合計）によってセルフアライニングトルク（ＳＡＴ）が発生する為、セルフアライニングトルクに基づいて制御しても良い。

３Ｌ、３Ｒ 操向輪
８ 反力モータ
９ 転舵モータ
１１ 操舵角センサ
１２ 転舵角センサ
１３ ハブセンサ
１４ 車速センサ
１５ コントローラ
２１ 転舵角制御部
２２ 操舵反力制御部
２３ 操舵反力算出部
２４ 補償フィルタ
２６ ヒステリシス設定部
２７ リミッタ
２９ ゲイン調整部
３０ 路面反力算出部

Claims (7)

1. 運転者のステアリング操作に応じて操向輪を転舵制御する転舵制御手段と、前記操向輪に入力する路面反力を検出する検出手段と、前記転舵制御手段が前記操向輪を転舵制御する際に、前記検出手段が検出した路面反力に応じてステアリング操作系に操舵反力を付与する反力制御手段と、前記検出手段が検出した路面反力に対して、車速が高いほどゲインを大きくするフィルタ処理を実行することにより、前記反力制御手段がステアリング操作系に付与する操舵反力を、路面反力の周波数特性に応じて補償する補償手段と、を備えることを特徴とするステアリング装置。
2. 前記補償手段は、前記検出手段が検出した路面反力に対して、車速が高いほど位相を進ませるフィルタ処理を実行することで、前記操舵反力を補償することを特徴とする請求項１に記載のステアリング装置。
3. 前記補償手段は、前記フィルタ処理の実行前と実行後の路面反力の差分に応じて補償量を算出し、算出した補償量の加算によって前記操舵反力を補償することを特徴とする請求項１又は２に記載のステアリング装置。
4. 前記補償手段は、車速が高いほど１より大きくなる係数を、前記検出手段が検出した路面反力に乗じることで、ゲインを大きくするフィルタ処理を実行することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のステアリング装置。
5. 前記補償手段は、前記操舵反力の補償量を、運転者のステアリング操作が切り増し操作であるか切り戻し操作であるかに応じて変更することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のステアリング装置。
6. 前記補償手段は、前記操舵反力の補償量を、所定の上限値以下に制限することを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のステアリング装置。
7. 運転者のステアリング操作に応じて操向輪を転舵制御する際に、前記操向輪の路面反力を検出し、検出した路面反力に応じてステアリング操作系に操舵反力を付与するものであって、
   検出した路面反力に対して、車速が高いほどゲインを大きくするフィルタ処理を実行することにより、前記ステアリング操作系に付与する操舵反力を、路面反力の周波数特性に応じて補償することを特徴とするステアリング制御方法。

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