JP2012171545A - ヨーレート推定装置及びそれを用いた車両姿勢制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヨーレートセンサに頼らずにヨーレートを推定し、ヨーレートセンサが故障したときでも、車両姿勢制御を継続可能にする。
【解決手段】電動モータ２０に流れる電流を検出し、検出された値に基づき、軸力Ｆを推定する。予め設定され記憶された軸力及び横加速度の関係に、前記推定された軸力を適用して、横加速度Ｇを推定し、このに推定された横加速度Ｇを用いて、車両のヨーレートを推定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヨーレート推定装置及びそれを用いた車両姿勢制御装置に関するものである。

従来、車両状態に応じてステアリングハンドルの操舵角と操舵輪の転舵角との間のステアリングレシオを可変にするために、可変ステアリングレシオ(ＶＧＲ；Variable Gear Ratio)制御装置が用いられている。こうした可変ステアリングレシオ制御装置では、例えばハンドル角に対して切れ角を相対的に大きくして操舵応答性をクイックにするクイック制御を実施することで、車両の旋回性を向上することができる。また逆に、切れ角をハンドル角に対して相対的に小さくして操舵応答性をスローにするスロー制御を実施することで、特に高速走行時における車両の安定性を向上することができる。

前記の可変ステアリングレシオ制御などの車両姿勢制御は、車載ヨーレートセンサによって検出されるヨーレートに基づいて行われる。たとえば、ステアリングホイールの操作舵角に対応する目標ヨーレートγ^*を求めて、ヨーレートセンサによって検出されるヨーレートを目標ヨーレートγ^*に近づけるように、舵取り機構の動作を制御する。このことにより、車両のオーバーステア状態やアンダーステア状態が防がれ、コーナリング中の車両の姿勢が安定に保たれる。このようなヨーレートに基づく制御を「ヨーレートフィードバック制御」という。

特開平11-237404号公報 特開2002-53024号公報 特開2009-214853号

ところが、前述のヨーレートフィードバック制御では、ヨーレートセンサが故障したとき制御ができなくなる。このため、ヨーレートセンサに頼らずに、ヨーレートを推定する手段が求められている。
そこで、本発明の目的は、ヨーレートセンサに頼らずに、ヨーレートを推定することのできるヨーレート推定装置及びそれを用いた車両姿勢制御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ヨーレート推定装置は、電動モータと、前記電動モータに流れる電流を検出するモータ電流検出手段と、前記モータ電流検出手段により検出された値に基づき、軸力を推定する軸力推定手段と、予め設定され記憶された前記軸力及び横加速度の関係に、前記軸力推定手段によって推定された軸力を適用して、横加速度を推定する横加速度推定手段と、前記横加速度推定手段により推定された横加速度を用いて、車両のヨーレートを推定するヨーレート推定手段とを備えるものである。

この構成によれば、ヨーレートセンサに頼らずに、モータ電流から軸力を求め、軸力から横加速度を求め、この求めた横加速度に基づいてヨーレートを推定するので、ヨーレートセンサが故障した場合にも、推定したヨーレートを出力することができる。
前記車両のヨーレートの推定は、横加速度を時間積分することにより行うことができる。

本発明を電動パワーステアリング装置に適用するならば、前記電動モータは、操舵補助力を発生するための操舵補助モータである。
前記軸力及び横加速度の関係は、同一車両、またはそれと同種の車両を旋回走行させて得られたデータに基づいて決定され、記憶されているものであってもよい。
また、本発明の車両姿勢制御装置は、前記ヨーレート推定装置で推定されたヨーレートを用いて車両の姿勢を制御する装置である。前記ヨーレート推定装置で推定されたヨーレートは、ヨーレートセンサに頼らずに求めることができるので、ヨーレートセンサが故障した場合でも、車両姿勢制御制御を継続させることができる。

本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。 ＶＧＲ制御部２２の電気的構成と制御機能とを説明するためのブロック図である。 本電動パワーステアリング装置が搭載される車両、またはそれと同種の車両について求められた、横加速度Ｇと軸力Ｆとの関係を表すグラフである。 車両走行中のＶＧＲ制御部２２の制御処理を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を、ラック同軸電動パワーステアリング装置（ＲＤ−ＥＰＳ）を例にとって、添付図面を参照しながら詳細に説明する。しかし、 ＲＤ−ＥＰＳ以外に、ステアリングコラムに電動モータを装着したコラム同軸電動パワーステアリング装置（Ｃ−ＥＰＳ）にも本発明を適用することができる。
図１は、本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。

電動パワーステアリング装置は、操舵ハンドル(ステアリングホイール)２と、操舵ハンドル２に連結され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とを含んでいる。第１のシャフト１１の一端に操舵ハンドル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、電動モータ２５を内蔵している可変ギア装置６を介して連結されている。

可変ギア装置６は電動モータ２５の回転によって可変ギア装置６が自転する。この可変ギア装置６の自転に応じて、操舵ハンドル２の操舵角に対する転舵輪の転舵角の比としての伝達比を変更することができる。この伝達比可変機能を、ＶＧＲ（Variable Gear Ratio）機能という。
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。

電動パワーステアリング装置は、さらにトルクセンサ１３と、車速センサ１４と、ＥＰＳ制御部２１とを有している。トルクセンサ１３は、ステアリングシャフト３の途中部に設置され、第１シャフト１１の中間部を、トーションバーを介して互いに回転可能に連結する。トルクセンサ１３は、その上端と下端の相対回転角に基づいて、操舵ハンドル２の回転に基づく操舵トルクＴｈを検出する。車速センサ１４は、転舵輪のロータの回転速度を読み取るセンサであり、車速Ｖを検出する。

また、ステアリングシャフト３のシャフト１１には、ホール素子などで構成され、ハンドルの舵角を検出する舵角センサ５が設けられている。また可変ギア装置６に連結された電動モータ２５の回転を駆動制御するＶＧＲ制御部２２が備えられている。これらのステアリングシャフト３、可変ギア装置６、電動モータ２５、ＶＧＲ制御部２２が、「車両姿勢制御装置」として機能する。

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軸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。
前記構成の電動パワーステアリング装置において、操舵ハンドル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、各タイロッド軸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。

ラック軸１６の一部には、ボールネジが形成され、ラックハウジング内で前記ボールネジに螺合したボールナットが設けられている。ボールナットは、ラックハウジング内で、ラック軸１６の長手方向に動かないように固定されている。このボールナットに対して、動力伝達機構（ベルト、歯車など）を介して回転軸が連結された操舵補助モータ２０が設けられている。操舵補助モータ２０はブラシ付き電動モータ、ブラシレス電動モータのいずれであってもよい。以下の実施形態ではブラシ付き電動モータを前提として説明を進める。

ＥＰＳ制御部２１の駆動出力側は操舵補助モータ２０に接続され、ＥＰＳ制御部２１の入力側は前記各センサ１３，１４に接続されている。ＥＰＳ制御部２１は、トルクセンサ１３が検出する操舵トルク及び車速センサ１４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２０のモータ電流が目標電流値に一致するように操舵補助モータ２０を制御することによって、操舵状況及び車速に応じた適切な操舵補助を実現するものである。

前記ＶＧＲ制御部２２は、舵角センサ５からの舵角信号と車速センサ１４からの車速信号とを入力して、これらの信号に応じて目標舵角δ^*を設定する。この目標舵角δ^*に応じて、可変ギア装置６に連結された電動モータ２５を駆動することによって、前述の伝達比可変制御を行う。すなわち、車速が低いときはハンドル舵角に対する目標舵角δ^*の比率を１よりも大きい比率に設定することにより、操舵応答性をクイックにして、車両の旋回性を向上することができる。また逆に、車速が高いときは、ハンドル舵角に対する目標舵角δ^*の比率を１よりも小さい比率に設定することにより、操舵応答性をスローにして車両の走行安定性を向上することができる。なお、ＶＧＲ制御部２２には、後述するように、軸力Ｆを算出するためのモータ電流Ｉｍが入力されている。

図２は、ＶＧＲ制御部２２の電気的構成と制御機能とを説明するためのブロック図である。ＶＧＲ制御部２２は、舵角センサ５からの舵角信号と車速センサ１４からの車速信号とを入力して、これらの信号に応じて目標舵角δ^*を設定する舵角制御部２３と、目標舵角δ^*に対して補正を行うヨーレートフィードバック制御部２４とを含んでいる。
ヨーレートフィードバック制御部２４は、ハンドル舵角や車速等に応じて設定される目標ヨーレートγ^*と、ヨーレートによって検出される実ヨーレートとを比較して、その差が大きな場合には、舵角制御部２３の目標舵角δ^*を補正する。

本発明の実施の形態では、実ヨーレートを、ヨーレートセンサに頼らずにモータ電流Ｉｍと軸力Ｆとの関係式を用いて求める。すなわち、モータ電流Ｉｍから軸力Ｆを求め、軸力Ｆから横加速度Ｇを求め、この求めた横加速度Ｇを時間積分してヨーレートγを推定する。そしてこの推定したヨーレート（推定ヨーレートという）γと目標ヨーレートγ^*とを比較して、［目標ヨーレートγ^*＞推定ヨーレートγ］の場合、車両の旋回不足と判断して、舵角制御部２３の目標舵角δ^*を増加させる方向に補正する。［目標ヨーレートγ^*＜推定ヨーレートγ］の場合、車両の旋回過多と判断して、舵角制御部２３の目標舵角δ^*を減少させる方向に補正する。

以下、目標ヨーレートγ^*の算出方法、推定ヨーレートγの算出方法をそれぞれ説明する。
（１）目標ヨーレートγ^*の算出方法
舵角制御部２３は、以下のように定義された諸元を用いて、目標ヨーレートγ^*を算出する。ｍ：車両重量、Ｖ：車両の速度、β：車両の横滑り角、Ｌf：車両重心点と前車軸との距離、Ｌr：車両重心点と後車軸との距離、Ｋf：前輪のコーナーリングパワー（横滑り角０度付近の横力と横滑り角との比）、Ｋr：後輪のコーナーリングパワー、δ：前輪の実舵角、Ｉ：車両のヨーイング慣性モーメント、とする。次の連立微分方程式式(1)(2)が成り立つ。

この２つの式(1)(2)を連立させて解くことにより、目標ヨーレートγ^*を算出することができる（安部正人「自動車の運動と制御」山海堂）。
（２）推定ヨーレートγの算出方法
ヨーレートフィードバック制御部２４は、以下のように定義された諸元を用いて推定ヨーレートγを算出する。Ｉｍ：操舵補助モータ２０のモータ電流[A]、Ｋｔ：トルク定数、Ｆ：軸力（ラック軸１６の長手軸方向にかかる力）[N]、Ｔｈ：操舵トルク[Nm]、ａ：ラック＆ピニオン部のかみ合い効率（１からラック＆ピニオン部における力の損失率を引いた値）、Ｓｒ：比ストローク（ピニオン１回転あたりのラットストローク[m/rev]）、Ｌ：ボールネジリード（操舵補助モータ２０が装着されているボールナット１回転あたりのラットストローク[m/rev]）、ｂ：ボールネジ＆ナット部のかみ合い効率（１からボールネジ＆ナット部における力の損失率を引いた値）、である。Ｋｔ，ａ，Ｓｒ，Ｌ，ｂは、この電動パワーステアリング装置の定数である。

モータ電流Ｉｍと軸力Ｆの関係式(3)は次のように表される。

この式(3)の意味は次のとおりである。右辺の２πＴｈａ／Ｓｒは、手入力のトルクＴｈに相当する軸力を表している。実際の軸力Ｆから手入力のトルクＴｈに相当する軸力である２πＴｈａ／Ｓｒを引くことにより、操舵補助モータ２０の操舵補助トルクに基づく軸力を求めることができる。これにＬ／２πｂを乗算することにより、操舵補助モータ２０の操舵補助トルクそのものを求めることができる。

ヨーレートフィードバック制御部２４は、ＥＰＳ制御部２１から通知されるモータ電流Ｉｍと、トルクセンサ１３から入力される操舵トルクＴｈとをこの(3)式に適用すれば、軸力Ｆを算出することができる。
次に、ヨーレートフィードバック制御部２４は、車速Ｖと、式(3)で求めた軸力Ｆとを図３のグラフに適用して、横加速度Ｇを推定する。

図３は、本電動パワーステアリング装置が搭載される車両、またはそれと同種の車両について求められた、横加速度Ｇと軸力Ｆとの関係を表すグラフである。このグラフは、車両で得られた横加速度Ｇ及び軸力Ｆのデータを一次近似して、車両のＦ／Ｇゲイン、すなわち横加速度Ｇに対する軸力Ｆの比を求めたものである。
次に、ヨーレートフィードバック制御部２４は、推定された横加速度Ｇを時間積分（∫Ｇdt）して、ヨーレートを推定する。時間積分は横加速度Ｇが０でないとみなせる所定の閾値を超えている期間にわたって実施する。

このようにしてヨーレートが推定できたら、図２に示すように、前記目標ヨーレートγ^*と推定ヨーレートの差を演算し、この差に所定の比例ゲインＰをかけて「現在の偏差」の大きさに比例した補正すべき舵角δ′を求める。この補正すべき舵角δ′を、舵角制御部２３で設定された目標舵角δ^*に加算して、補正後の目標舵角δ^*1を出力する。なお、前記差の微分値に微分ゲインをかけたものを、補正すべき舵角δ′に加算しても良い。

以上のように、ヨーレートセンサに頼らずに、モータ電流Ｉｍと軸力Ｆとの関係式を用いてモータ電流Ｉｍから軸力Ｆを求め、軸力Ｆから横加速度Ｇを求め、この求めた横加速度Ｇを時間積分してヨーレートγを推定するので、ヨーレートセンサが故障した場合にも、推定したヨーレートで常に適正な目標舵角δ^*1を出力することができる。したがって、ＶＧＲ制御を継続させることができる。

図４は車両走行中のＶＧＲ制御部２２の制御処理を説明するためのフローチャートである。まずヨーレートセンサの故障判定を行う（ステップＳ１）。ヨーレートセンサの状態が正常であればステップＳ３に進み、ヨーレートセンサで検出したヨー値を使用してＶＧＲ制御を行う。ヨーレートセンサの状態が異常であればステップＳ２に進み、前述したようにモータ電流Ｉｍ、車速Ｖ等から推定したヨー値を使用する。そして、目標舵角δ^*の補正量δ′を決定する（ステップＳ４）。なお、ヨーレートセンサの故障検出方法は、特許文献１などから公知である。

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い。例えば、ヨーレートセンサを省略して、本ヨーレートフィードバック制御部２４の制御により推定したヨーレートを、ヨーレートセンサで検出する実Ёレートに代えて常時活用することも可能である。これにより、ヨーレートセンサの費用を節約することができる。その他、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…可変ギア装置、１０…舵取り機構、１３…トルクセンサ、１４…車速センサ、２０…操舵補助電動モータ、２１…ＥＰＳ制御部、２２…ＶＧＲ制御部、２４…ヨーレートフィードバック制御部

Claims (5)

1. 電動モータと、
   前記電動モータに流れる電流を検出するモータ電流検出手段と、
   前記モータ電流検出手段により検出された値に基づき、軸力を推定する軸力推定手段と、
   予め設定され記憶された前記軸力及び横加速度の関係に、前記軸力推定手段によって推定された軸力を適用して、横加速度を推定する横加速度推定手段と、
   前記横加速度推定手段により推定された横加速度を用いて、車両のヨーレートを推定するヨーレート推定手段とを備える、ヨーレート推定装置。
2. 前記ヨーレート推定手段は、推定された横加速度を時間積分することにより車両のヨーレートを推定するものである請求項１記載のヨーレート推定装置。
3. 前記電動モータは、操舵補助力を発生するための操舵補助モータである請求項１又は請求項２記載のヨーレート推定装置。
4. 前記軸力及び横加速度の関係は、同一車両、またはそれと同種の車両を旋回走行させて得られたデータに基づいて決定され、記憶されている請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のヨーレート推定装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のヨーレート推定装置で推定されたヨーレートを用いて車両の姿勢を制御する車両姿勢制御装置。
   

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