JP2012086594A - 車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両が停止している状態で、実際の路面の摩擦係数を推定する。
【解決手段】操舵部材に連結されるシャフト回転の伝達比を変更するための伝達比可変機構６と、伝達比可変機構６の伝達比を変更する伝達比可変モータ２０と、伝達比可変モータ２０を駆動制御するＤＡＦＳ制御部２８と、伝達比可変機構２０と舵取り機構１０との間に設置され、操舵トルクを検出するための操舵トルクセンサ４１と、舵取り機構１０に取り付けられ、操舵補助力を発生するための操舵補助モータ４２と、操舵トルクセンサ４１の検出トルクに基づいて操舵補助モータ４２を駆動制御するＥＰＳ制御部４３と、車速ゼロ時のタイヤ転舵角に応じて算出されたタイヤ横力のタイヤ転舵角に対する比Ｇに基づき、路面摩擦係数を推定する路面摩擦係数推定部４５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、路面摩擦係数を推定する機能を有する車両用操舵装置に関するものである。

従来、モータの制御により、ステアリングホイール等の操舵部材の操舵角と転舵輪の転舵角との比率を変化させることで、ドライバの意思に拘らず転舵角を変化させる、いわゆるアクティブ操舵を行う車両用操舵装置が知られている。
例えば雪道走行などで、車両がオーバーステア状態になった場合に、操舵部材の操舵方向とは逆方向に転舵角を変化させるようにアクティブ操舵をすることで、車両の姿勢を安定化させることができる。

差動機構式アクティブフロントステアリング(DAFS)機構は、操舵部材の操舵角に対する転舵輪の転舵角の比を変更する差動機構を介して操舵部材側とステアリングギア側が連結されている構造である。差動機構のステアリングギア側の回転角度を制御するモータを「位相制御用モータ」という。位相制御用モータを回転させることで、操舵部材の操作量（回転角）に対してステアリングギア側の回転量（回転角）を任意に調整することが可能である。また、アクティブ制御時に起こる操舵反力や車外からの外乱によって発生する操舵トルクを抑制するモータを「反力補償用モータ」と言い、ドライバへの反力トルクを補償することが可能である。

また、ドライバが操舵部材を回転させるときに操舵アシストする電動パワーステアリング装置(EPS)は、前記ＤＡＦＳ機構の出力側（転舵輪側）に設けられる。

特開2008-170237号公報 特開2006-232115号公報

一般的に車両運動制御を行う場合、車両モデルを用いて規範運動量の計算を行う。その場合、測定困難な路面摩擦係数を一般的に定数として扱うことが多い。
そのため、アスファルト路から雪上路に変わった場合など路面摩擦係数が適応しないため、車両モデルの計算値と実車で起きる挙動との差が大きくなり、過大な制御を行わなければならない。

そこで、本発明の目的は、車両が停止している状態で、実際の路面の摩擦係数を推定することができる車両用操舵装置を提供することである。

前記の目的を達成するための本発明の車両用操舵装置は、操舵部材に連結される第１シャフトと舵取り機構に連結される第２シャフトとの間の回転の伝達比を変更するための伝達比可変機構と、前記伝達比可変機構の伝達比を変更する伝達比可変モータと、前記伝達比可変モータを駆動制御する第１制御手段と、前記伝達比可変機構と前記舵取り機構との間に設置され、操舵トルクを検出するための操舵トルクセンサと、前記舵取り機構に取り付けられ、操舵補助力を発生するための操舵補助モータと、前記操舵トルクセンサの検出トルクに基づいて前記操舵補助モータを駆動制御する第２制御手段と、車速ゼロ時のタイヤ転舵角に応じて算出されたタイヤ横力の前記タイヤ転舵角に対する比に基づき、路面摩擦係数を推定する路面摩擦係数推定手段とを備えるものである。

この構成によれば、車速ゼロ時に伝達比可変モータを用いてタイヤを転舵させ、タイヤ転舵角に対するタイヤ横力を算出し、タイヤ横力のタイヤ転舵角に対する比を求めることができる。この比は実際の路面の状態に応じた値になるので、この比に基づいて車両が走行している路面の路面摩擦係数を推定することができる。
ここでタイヤ横力Ｆと路面摩擦係数μとの関係は、次の式で与えられる。

Ｆ＝μＷ［φ−（1/3）φ^2＋（1/27）φ^3］，
φ＝［Ｋ/（μＷ）］tanβｔ
Ｗは垂直加重、Ｋはコーナリングパワー、βｔはタイヤスベリ角である。
前記タイヤ横力は、前記操舵トルクセンサで検出された操舵トルクと、前記操舵補助モータの操舵補助トルクとの和に基づいて算出することができる。

前記操舵補助モータの操舵補助トルクは、前記操舵補助モータに流れる駆動電流を測定することによって求めることができる。
前記比から路面摩擦係数を決定する場合、測定済みのマップに適用することにより、迅速かつ容易に決定することができる。
また、本発明の車両用操舵装置が、前記伝達比可変モータが駆動されているときに前記操舵部材に加わる操舵反力を減少させる反力補償用モータをさらに有するものであれば、操舵部材の側に生じた反力を軽減させることができるので、ドライバへの違和感を低減することができる。

以上のように本発明によれば、停車若しくは駐車時に、ハンドル角が０度のままアクティブ制御を行い、タイヤ転舵角−タイヤ横力の関係を計測し、路面摩擦係数を推定する。推定した路面摩擦係数を用いることで、環境に応じた車両運動制御を高精度に実行することができるようになる。

本発明の一実施形態に係る車両用操舵装置の概略構成を示す模式図である。 路面摩擦係数推定部の実行する制御の手順を示すフローチャートである。 トルク和とタイヤ転舵角との関係を示すグラフである。 路面摩擦係数を推定するために用いる、測定済みのマップの内容を示すグラフである。 路面摩擦係数を変数とした、タイヤ転舵角とタイヤ横力との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る車両用操舵装置の概略構成を示す模式図である。
車両用操舵装置１は、ステアリングホイール等の操舵部材２と、操舵部材２に連なるステアリングシャフト３とを有している。ステアリングシャフト３は、第１シャフト１１と第１シャフト１１と同軸上に配置された第２シャフト１２を含んでいる。第１のシャフト１１の一端に操舵部材２が同行回転可能に連結されている。第１のシャフト１１の他端と第２のシャフト１２の一端とは、伝達比可変機構６を介して差動回転可能に連結されている。第２のシャフト１２の他端は、自在継手７、中間軸８、自在継手９及び舵取り機構１０を介して、転舵輪４Ｌ，４Ｒと連結されている。

舵取り機構１０は、自在継手９に連結されるピニオン軸１５と、ピニオン軸１５の先端のピニオン１５ａに噛み合うラック１６ａを有し車両の左右方向に延びる転舵軸としてのラック軸１６と、ラック軸１６の一対の端部のそれぞれにタイロッド１７Ｌ，１７Ｒを介して連結されるナックルアーム１８Ｌ，１８Ｒとを有している。
操舵角センサ３１は、操舵部材２の直進位置からの操作量である操舵角θｓ（第１シャフト１１の回転角）を検出する。転舵角センサ３２は、転舵角θｔ（第２シャフト１２の回転角）を検出する。車速センサ３３は、車速Ｖを検出する。ヨーレートセンサ３４は、車両のヨーレートＲｙを検出する。ＤＡＦＳ制御部２８は、伝達比可変モータ２０の駆動回路２９に接続され、反力補償用モータ２５の駆動回路３０に接続されている。ＤＡＦＳ制御部２８は、各前記センサ３１〜３６の信号等に基づいて、伝達比可変モータ２０及び反力補償用モータ２５の駆動を制御する。

自在継手９と舵取り機構１０との間のピニオン軸１５はトーションバーを介して互いに回転可能に連結された入力軸と出力軸とを有していて、これらの軸の相対回転角に基づいて操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ４１が取り付けられている。またピニオン軸１５には、前記操舵トルクに応じて舵取り機構１０に操舵補助力を与える操舵補助モータ４２（転舵モータ）が、図示しない減速ギヤを介して接続されている。

４３は操舵補助モータ４２を駆動制御するＥＰＳ制御部を示す。ＥＰＳ制御部４３は、駆動回路４４を介して操舵補助モータ４２と接続されている。ＥＰＳ制御部４３には、車速センサ３３、操舵トルクセンサ４１がそれぞれ接続されている。
ＥＰＳ制御部４３は、操舵トルクセンサ４１が検出する操舵トルク及び車速センサ３３が検出する車速に基づいて目標電流値を設定し、操舵補助モータ４２のモータ電流が目標電流値に一致するように、駆動回路４４を通して操舵補助モータ４２を駆動させ、操舵状況及び車速に応じた適切な操舵補助を実現する。

路面摩擦係数推定部４５は、路面摩擦係数を推定する演算部である。路面摩擦係数推定部４５の演算機能は、車両用操舵装置１に装備されたコンピュータに実装されたプログラムにより実現される。
路面摩擦係数推定部４５は、ＤＡＦＳ制御部２８及びＥＰＳ制御部４３と車内バスラインにより接続されているとともに、転舵角センサ３２の検出値である転舵角、操舵トルクセンサ４１の検出値である操舵トルクが入力される。４６は路面摩擦係数を推定するための測定済みのマップを記憶するメモリである。路面摩擦係数推定部４５の動作の詳細については後述する。

前記の構成により、操舵部材２の回転は、ステアリングシャフト３等を介して舵取り機構１０に伝達される。舵取り機構１０では、ピニオン１５ａの回転がラック軸１６の軸方向の運動に変換され、各タイロッド１７Ｌ，１７Ｒを介して対応するナックルアーム１８Ｌ，１８Ｒがそれぞれ回動する。これにより、各ナックルアーム１８Ｌ，１８Ｒに連結された対応する転舵輪４Ｌ，４Ｒがそれぞれ操向する。

前記伝達比可変機構６は、第１シャフト１１の回転角（操舵角θｓに相当する）に対する第２シャフト１２の回転角（転舵角θｔに相当する）の比（伝達比θｔ／θｓ）を変更するためのものである。伝達比可変機構６は、第１シャフト１１及び第２シャフト１２を差動回転可能に連結する差動機構としての遊星ギヤ機構１９と、遊星ギヤ機構１９を駆動する伝達比可変モータ２０とを有している。

遊星ギヤ機構１９は、第１シャフト１１に同行回転可能に連結された第１のサンギヤ２１と、第１のサンギヤ２１と相対向して配置され、第２シャフト１２に同行回転可能に連結された第２のサンギヤ２２と、第１及び第２のサンギヤ２１，２２の双方に噛み合う遊星ギヤ２３と、遊星ギヤ２３をその軸線回りに自転可能かつ第１及び第２のサンギヤ２１，２２の軸線回りに公転可能に保持するキャリア２４とを含む。

遊星ギヤ２３は、第１及び第２のサンギヤ２１，２２を互いに関連付けるためのものであり、ステアリングシャフト３の周方向に等間隔に複数（本実施形態において、２つ）配置されている。各遊星ギヤ２３の軸線は、ステアリングシャフト３の軸線Ａと平行に延びている。キャリア２４は、ステアリングシャフト３の軸線Ａの回りを回転可能である。
伝達比可変モータ２０は、キャリア２４を回転駆動するためのものであり、軸線Ａ回りに関するキャリア２４の回転数を変更することで、伝達比θｔ／θｓを変更するものである。伝達比可変モータ２０は、たとえば、ブラシレスモータからなり、ステアリングシャフト３と同軸に配置されている。伝達比可変モータ２０は、キャリア２４に同行回転可能に連結されたロータ２０１と、このロータ２０１を取り囲みハウジング２６に固定されたステータ２０２とを含んでいる。伝達比可変モータ２０の近傍には、伝達比可変モータ２０の回転角を検出するための、たとえばレゾルバからなる回転角センサ３５が配置されている。

車両用操舵装置１はさらに、伝達比可変モータ２０が回転しているときに操舵部材２に加わる操舵反力を増減するための反力補償用モータ２５を備えている。反力補償用モータ２５は、たとえば、ブラシレスモータからなり、ステアリングシャフト３と同軸に配置されている。反力補償用モータ２５は、第１シャフト１１に同行回転可能に連結されたロータ２５１と、このロータ２５１を取り囲みハウジング２６に固定されたステータ２５２とを含んでいる。反力補償用モータ２５の近傍には、反力補償用モータ２５の回転角を検出するための、たとえばレゾルバからなる回転角センサ３６が配置されている。

この発明の実施形態では、停車若しくは駐車時（車速０ｋｍ／ｈ）、ハンドル角が０度のときに路面摩擦係数を推定するために、路面摩擦係数推定部４５によって、伝達比可変モータ２０を駆動して、アクティブ制御を行い、タイヤ転舵角を変化させる。
このアクティブ制御を行うタイミングは車速０ｋｍ／ｈという条件下で、任意に設定できる。例えば運転中に車速０ｋｍ／ｈの状態が所定時間続いた場合に、このアクティブ制御を行ってもよい。またドライバがスイッチを手動操作したことをきっかけにしてもよい。

次に路面摩擦係数推定部４５の実行する路面摩擦係数推定手順を、フローチャート（図２）を用いて説明する。
路面摩擦係数推定部４５は、前述したようにアクティブ制御を始める条件が整った場合に（ステップＳ１のYES）、車内バスラインを介してＤＡＦＳ制御部２８に指令を送り、伝達比可変モータ２０を駆動して第２シャフト１２を一方向に回転させ（ステップＳ２）、転舵角センサ３２により転舵角θｔを検出する（ステップＳ３）。そして操舵トルクセンサ４１により、操舵トルクを計測する（ステップＳ４）。それとともにＥＰＳ制御部４３から出力される操舵補助トルクを計測する（ステップＳ５）。この操舵補助トルクは、操舵補助モータ４２に流れる電流値に所定のトルク係数を掛けることによって推定できる。操舵補助モータ４２に流れる電流は、ＥＰＳ制御部４３から与えられる。

なお、前述したようにアクティブ制御を始める条件が整った場合に、伝達比可変モータ２０を回転駆動すれば、操舵部材２の側に反力が生じることが予測される。しかし、この反力は、ＤＡＦＳ制御部２８が反力補償用モータ２５を駆動制御することで、軽減させることができる。したがって、車両が停止しているのにハンドルが動き出すと言うドライバへの違和感を低減することができる。

路面摩擦係数推定部４５は、操舵トルクと操舵補助トルクとのトルク和（単位：Ｎｍ）を算出する（ステップＳ６）。このトルク和はタイヤ横力と同等の値である。したがってこのトルク和とタイヤ転舵角との関係は、少なくともタイヤ転舵角が０度付近では（本手順は停車若しくは駐車時に、ハンドル角が０度のまま行う手順であるのでこの条件は満たされている）、図３に示すように、比例関係にある。路面摩擦係数推定部４５は、前記トルク和をタイヤ転舵角で割ったときの傾きＧを算出する（ステップＳ７）。この傾きＧは、路面摩擦係数が小さいほど小さく、路面摩擦係数が大きいほど大きくなる。

次に路面摩擦係数推定部４５は、メモリ４６に格納された、図４に示すような測定済みのマップを用いて、路面摩擦係数を推定する（ステップＳ８）。前記マップは、路面摩擦係数のわかっている地面に車両を置いて、実際に本アクティブ制御を実際に行って、傾きＧと路面摩擦係数とをグラフ上にプロットすれば得ることができる。
このようにして推定されたタイヤと路面との路面摩擦係数は、数値制度が高いものであり、車両運動制御に好適に用いることができる（ステップＳ９）。車両運動制御の例として、（１）アンダーステア状態やオーバーステア状態の車両において左右車輪の制動力を制御することで車両挙動を安定化させる場合に、旋回内側車輪と旋回外側車輪の制動力差に応じて舵角をフィードフォワード制御することで、車両挙動の安定化を図る制御が挙げられる（特開2001-233229号公報参照）。この場合、旋回車輪で発生させ得る制動力を求めるときに、前記推定された路面摩擦係数を使用することができる。（２）旋回内輪側の前輪及び後輪に発生させ得る制動力の各最大値を演算し、内輪の制動力を前記制動力の各最大値に比例する割合にて配分することにより、旋回内輪側の前輪及び後輪の目標制動力を演算し、旋回外輪側の前輪及び後輪に発生させ得る制動力の各最大値を演算し、外輪の制動力を前記制動力の各最大値に比例する割合にて配分することにより旋回外輪側の前輪及び後輪の目標制動力を演算するアンチスキッド制御（特開平11-59364号公報参照）において、各旋回車輪で発生させ得る制動力の最大値を求めるときに、前記推定された路面摩擦係数を使用することができる。

以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。

２…操舵部材、６…伝達比可変機構、１０…舵取り機構、１１…第１シャフト、１２…第２シャフト、２０…伝達比可変モータ、２５…反力補償用モータ、４１…操舵トルクセンサ、４２…操舵補助モータ、４３…ＥＰＳ制御部、４５…路面摩擦係数推定部、４６…メモリ

Claims (5)

1. 操舵部材に連結される第１シャフトと舵取り機構に連結される第２シャフトとの間の回転の伝達比を変更するための伝達比可変機構と、
   前記伝達比可変機構の伝達比を変更する伝達比可変モータと、
   前記伝達比可変モータを駆動制御する第１制御手段と、
   前記伝達比可変機構と前記舵取り機構との間に設置され、操舵トルクを検出するための操舵トルクセンサと、
   前記舵取り機構に取り付けられ、操舵補助力を発生するための操舵補助モータと、
   前記操舵トルクセンサの検出トルクに基づいて前記操舵補助モータを駆動制御する第２制御手段と、
   車速ゼロ時に前記伝達比可変モータを駆動し、タイヤ転舵角に対して算出されたタイヤ横力の前記タイヤ転舵角に対する比を求め、この比に基づき、路面摩擦係数を推定する路面摩擦係数推定手段とを備える、車両用操舵装置。
2. 前記路面摩擦係数推定手段は、前記タイヤ横力を、前記操舵トルクセンサで検出された操舵トルクと、前記操舵補助モータの操舵補助トルクとの和に基づいて算出する、請求項１に記載の車両用操舵装置。
3. 前記操舵補助モータの操舵補助トルクは、前記操舵補助モータに流れる駆動電流を測定することによって求められる、請求項２に記載の車両用操舵装置。
4. 前記路面摩擦係数推定手段は、前記比を、測定済みのマップに適用することにより、路面摩擦係数を決定する、請求項１〜請求項３の何れかに記載の車両用操舵装置。
5. 前記伝達比可変モータが駆動されているときに前記操舵部材に加わる操舵反力を減少させる反力補償用モータがさらに備えられている、請求項１〜請求項４の何れかに記載の車両用操舵装置。

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