JP2013184619A - ステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 路面状況等の影響を受けることなく、加速または定速走行時には燃費が最良となるトー角に設定して燃費を向上させることができ、減速走行時には直進安定性を得ることができるステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置を提供する。
【解決手段】 左右の車輪に作用するタイヤ横力を検出するタイヤ横力検出手段４１と、この検出されたタイヤ横力が目標の横力となるように、左右の車輪のトー角を互いに独立に制御するトー角制御手段６を設ける。トー角制御手段６は、減速時でないとき、左右の目標横力の総和は変化せず、絶対値の総和が減少するように目標横力ＦLt, ＦRtを設定し、減速時には、直進安定性が得られるように目標横力ＦLt, ＦRtを設定する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、転舵用のタイロッド間シャフトと機械的に連結されていないステアリングホイールで操舵を行うようにしたステアバイワイヤ式操舵装置、特にトー角制御機構を備えたステアバイワイヤ式操舵装置において、トー角制御を行うステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置に関する。

工場出荷時における車両の車輪のトー角は、走行安定性を考慮して設定されている。しかし、このようなトー角の設定は、燃費が最適になるような設定ではない。例えば、トー角をトーインに設定すると、車輪に作用する横力の後ろ向き成分によって走行抵抗が増大、燃費が悪化する。

車輪のトー角等のアライメントを走行状況に応じて制御することにより、燃費を向上させる方法が提案されている（例えば特許文献１）。しかし、トー角を走行状況に応じて制御するためには、同文献に開示されているように、左右の車輪のトー角を互いに独立に制御できるものでなければならない。したがって、例えば、車両のステアリング機構が左右連結されている場合は、トー角を変更することはできない。

燃費を向上させる他の技術として、加速または定速走行時にトー角を「０」に設定することで、直進する車両の燃費を向上させ、減速走行時にはトーイン方向のトー角を付与することで、車両安定性を確保する技術が提案されている（例えば特許文献２）。

また、燃費が最良となるホイールアライメントの判定方法として、制駆動力が発生していない状態で車両が直進するときに速度低下率が最も低くなるホイールアライメントを、直進する車両に適したホイールアライメントと判定する方法が提案されている（例えば特許文献３）。燃費を向上させるさらに他の技術として、燃料噴射量と走行距離から燃費を算出し、燃費が最良となるホイールアライメントを記憶する方法も提案されている（例えば特許文献４）。

特開２０１１−０８４１７８号公報 特開平０５−０７７６２６号公報 特開２０１０−１６３０４１号公報 特許第４７４０３６０号公報

特許文献２に開示された技術では、トー角変更装置を駆動するアクチュエータのロッドのストローク量からトー角を算出し、算出したトー角が「０」となるように制御している。このことから、例えば、アクチュエータのロッドのストローク量と実際のトー角とのずれ（誤差）などによって、トー角を精度良く「０」に設定することができない場合がある。このような場合、トー角の算出値が「０」になるようにアクチュエータを制御しても、実際のトー角が「０」に設定されず、直進する車両が最良の燃費で走行することができない。また、減速走行時において予め設定されたトー角を付与すると、路面状況等により直進安定性が変化する恐れがある。

特許文献３に開示された方法では、路面の状況、走行路の勾配、車外の風等の影響により、必ずしも燃費が最良なトー角に設定されない可能性がある。また、直進走行時のみで、旋回時には適用できない。

特許文献４に開示された方法では、現在位置情報および道路情報を求めるナビゲーション装置が必要であり、コストがかかる。また、車外の風等の影響によっても燃費が変化するため、必ずしも燃費が最良なトー角に設定されない可能性がある。

この発明の目的は、加速時，定速走行時に、転舵軸のストローク量と実際のトー角のずれや、走行路の勾配、路面状況、車外の風等の影響を受けずに、燃費が最良となるトー角に設定することができて、最良の燃費で走行できるステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置を提供することである。
この発明の他の目的は、減速時に、路面状況等の影響を受けず、最適な直進安定性を得られるようにすることである。

この発明のステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置は、車輪１３を転舵させ、かつ車輪１３のトー角を変える転舵軸１０と機械的に連結されていないステアリングホイール１と、このステアリングホイール１の操舵角を検出する操舵角センサ２と、前記転舵軸１０に転舵動作を行わせる転舵用モータ１５と、前記転舵軸１０にトー角変更動作を行わせるトー角制御用モータ１６と、前記操舵角センサ２の検出する操舵角と運転状態とを基に前記転舵用モータ１５を制御し、運転状態を基に前記トー角制御用モータ１６を制御するステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置であって、
左右の車輪１３に作用するタイヤ横力を検出するタイヤ横力検出手段４１と、この検出されたタイヤ横力が目標の横力となるように、左右の車輪１３のトー角を互いに独立に制御するトー角制御手段６を設けたことを特徴とする。

この構成によると、トー角制御手段６は、左右の車輪１３のトー角を互いに独立に制御するため、走行状態に応じて、タイヤに生じる横力の後ろ向き成分による走行抵抗が減少するように左右の車輪１３のトー角をそれぞれが適切な角度となるように制御し、燃費を安定させることができる。この場合に、左右の車輪１３に作用するタイヤ横力をタイヤ横力検出手段４１で検出し、この検出されたタイヤ横力が目標の横力となるように左右の車輪１３のトー角を制御する。すなわちトー角の検出値ではなく、トー角の制御結果として生じるタイヤ横力をフィーバック制御に用いる。そのため、転舵軸１０のストローク量と実際のトー角のずれ（すなわち、誤差）や、走行路の勾配、路面状況、車外の風等の影響を受けずに、目標の横力に調整できる。上記のタイヤ横力の検出値を用いるトー角制御は、走行駆動源の駆動で加速する時や定速走行時に適切となる。
このように、加速時，定速走行時に、転舵軸のストローク量と実際のトー角のずれや、走行路の勾配、路面状況や車外の風等の影響を受けずに、燃費が最良となるトー角に設定することができて、最良の燃費で走行できる。
なお、減速時には、後述のように目標横力を定めて用いることで、転舵軸１０のストローク量と実際のトー角のずれや、路面状況等の影響を受けずに、最適な直進安定性を得ることができる。

前記タイヤ横力検出手段４１は、前記左右の車輪にそれぞれ設けた荷重センサ４１であっても良い。荷重センサ４１を車輪１３に設けるとは、その車輪１３に作用する荷重が検出できるように、車輪１３に対して設ける意味であり、例えば、車輪用軸受に荷重センサ４１を設けても良い。
荷重センサ４１によると、車輪１３に作用するタイヤ横力を精度良く検出できる。またタイヤ横力が検出可能な荷重センサとして、車輪用軸受等に設けるものが種々開発されている。

この発明において、前記トー角制御手段６は、左右の車輪１３のタイヤ横力が互いに逆向きのとき、タイヤ横力の絶対値が小さい方となる一方の車輪１３に作用するタイヤ横力が０となり、他方の車輪１３に作用するタイヤ横力が左右の車輪１３に作用するタイヤ横力の和となるように目標の横力を演算出力する目標横力演算出力部２０を有し、前記タイヤ横力検出手段４１で検出されたタイヤ横力が、前記目標横力演算出力部２０で演算された目標の横力なるように左右の車輪１３のトー角を制御するものとしても良い。
この構成の場合、左右輪１３に備えられた荷重センサ４１のタイヤ横力検出手段４１から左右輪１３のタイヤ横力を取得する。このタイヤ横力の向きが逆の場合には、左右輪１３のトー角を制御し、横力の絶対値が小さい方のタイヤに作用する横力を０とし、減少させた横力を他方のタイヤで発生させる。すなわち、他方のタイヤが発生する横力の絶対値を減少させる。これにより、左右輪１３のタイヤが発生する横力の総和は変化せず、左右輪１３のタイヤが発生する横力の絶対値の総和は減少させることができる。よって，横力の後ろ向き成分による走行抵抗を減少することができ、燃費を向上させることができる。また、この制御では多量の情報を記憶する記憶装置が必要なく、制御装置を簡素化できる。

前記トー角制御手段６は、前記目標横力演算出力部２０により演算出力される目標横力を、駆動力を必要とする加速時または定速走行時のトー角制御に用い、その他の走行時、例えば減速時や、下り坂における重力による加速加速時にはトー角制御に用いないようにしても良い。なお、上記の「駆動力を必要とする加速時」とは、加速のためには走行駆動源の駆動力が必要となる加速の意味である。
このトー角制御は、燃費を向上させる目的で行うため、駆動力を必要とする加速または定速走行時に上記制御を実施することが、その燃費向上の効果の実効を生じさせるうえで好ましい。

この発明において、前記トー角制御手段６は、目標の横力として、最適な直進安定性が得られるように適宜に設定された目標横力、または減速度に応じて演算された目標横力を出力し、その目標横力が減速走行時のトー角制御に用いられる減速時用目標横力出力部２１を有するものとしても良い。
減速時には、直進安定性の向上が優先課題となる。そのため、予め設定された横力、あるいは減速度に応じて演算された目標横力となるようにトー角を制御することが、直進安定性向上の上で好ましい。また、この場合も、トー角でなく横力をフィードバック制御することで、転舵軸のストローク量と実際のトー角のずれや路面状況等の影響を受けず、最適な直進安定性を得ることができる。

この場合に、トー角制御手段６は、前記減速時用目標横力出力部２１から出力される目標横力を用いたトー角制御において、減速度が大きいほどトー角をトーイン側に設定するものとするのが望ましい。トー角をトーイン側とするに従って、タイヤ力は増すが、直進安定性が向上する。

この発明のステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置は、車輪を転舵させ、かつ車輪のトー角を変える転舵軸と機械的に連結されていないステアリングホイールと、このステアリングホイールの操舵角を検出する操舵角センサと、前記転舵軸に転舵動作を行わせる転舵用モータと、前記転舵軸にトー角変更動作を行わせるトー角制御用モータと、前記操舵角センサの検出する操舵角と運転状態とを基に前記転舵用モータを制御し、運転状態を基に前記トー角制御用モータを制御するステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置であって、左右の車輪に作用するタイヤ横力を検出するタイヤ横力検出手段と、この検出されたタイヤ横力が目標の横力となるように、左右の車輪のトー角を互いに独立に制御するトー角制御手段を設けたため、加速時，定速走行時に、転舵軸のストローク量と実際のトー角のずれや、走行路の勾配、路面状況や車外の風等の影響を受けずに、燃費が最良となるトー角に設定することができて、最良の燃費で走行できる。また、減速時には、適宜の目標横力を設定して用いることで、路面状況等の影響を受けず、最適な直進安定性を得ることができる。

この発明の一実施形態に係る制御装置を備えたステアバイワイヤ式操舵機構の概念構成図である。 同ステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置におけるトー角制御手段の概念構成のブロック図である。 同トー角制御手段における目標横力の演算処理のフロー図である。 荷重センサを備えた車輪用軸受の断面図である。 同車輪用軸受の外方部材の側面図である。

この発明の一実施形態を図１〜図３と共に説明する。図１は、ステアバイワイヤ式操舵装置およびその制御装置の概略構成を示す。このステアバイワイヤ式操舵装置１００は、運転者が操舵するステアリングホイールであるハンドル１と、操舵角センサ２と、操舵反力モータ４と、操舵輪である左右の車輪１３にナックルアーム１２およびタイロッド１１を介して連結された転舵用の軸方向移動自在な転舵軸１０（「タイロッド間シャフト」とも言う）と、この転舵軸１０を駆動する転舵軸駆動機構１４とを備える。

ハンドル１は、転舵軸１０と機械的に連結されておらず、ステアリング制御手段５を介して転舵軸駆動機構１４の転舵用モータ１５を制御することで、転舵動作を行わせる。転舵軸駆動機構１４は、転舵用モータ１５の回転運動を往復直線運動に変換して転舵軸１０を進退させる機能と、トー角制御用モータ１６の回転運動により転舵軸１０の長さを変更させて両タイロッド１１の間隔を変更に変換する機能とを有する。転舵軸１０は、互いに一部が内外に嵌まり合った左右の分割軸１０ａ，１０ｂに分割されていて、両分割軸１０ａ，１０ｂの嵌まり合い部分の長さを変更することで、長さ変更可能とされている。この長さ変更によってトー角の調整を行い、両分割軸１０ａ，１０ｂが一体となった軸方向移動で転舵を行う。転舵軸１０の長さ調整と軸方向移動とを組み合わせることで、左右の車輪１３の独立したトー角調整、すなわち互いに異なる角度のトー角調整が行える。操舵反力モータ４は、ハンドル１に操舵反力トルクを付与する駆動源である。操舵角センサ２は、ハンドル１の操舵角を検出するセンサであり、レゾルバ、光学式または磁気式のエンコーダ等からなる。

ステアリング制御手段５は、車両の全体を制御するメインのＥＣＵ（電気制御ユニット）３の一部として、またはメインのＥＣＵ３とは別の電気制御ユニットとして設けられて、前記操舵角センサ２の検出する操舵角と運転状態とを基に前記転舵用モータ１５を制御することで、転舵軸１０に転舵動作を行わせる手段である。ステアリング制御手段５は、転舵用モータ１５と操舵反力モータ４を制御する制御部（図示せず）を有する。また、ＥＣＵ３の他の一部として、トー角制御手段６が設けられる。トー角制御手段６は、運転状態を基に転舵軸駆動機構１４のトー角制御用モータ１６を制御することで、転舵軸１０にトー角変更動作を行わせる手段である。ＥＣＵ３および前記別の電気制御ユニットは、マイクロコンピュータおよびその制御プログラムを含む電子回路等により構成される。左右の車輪１３には、これらに作用するタイヤ横力を検出するタイヤ横力検出手段となる荷重センサ４１が設けられる。この荷重センサ４１で検出される左右の車輪１３に作用するタイヤ横力は、前記トー角制御手段６によるトー角制御に用いられる。なお、タイヤ横力検出手段としては、この例のように左右の車輪１３に荷重センサ４１を設ける場合に限らず、他の手段を用いても良い。

図２は、トー角制御手段６の概念構成を示すブロック図である。概要を説明すると、左右輪のタイヤ横力を荷重センサ４１で検出し、左右輪のタイヤ横力が目標値となるように、左右輪のトー角を制御する。具体的には、このトー角制御手段６は、トー角制御において用いるタイヤ目標値ＦLt，ＦRtを設定するタイヤ横力目標値設定手段１７と、このタイヤ横力目標値設定手段１７で設定されるタイヤ横力目標値ＦLt，ＦRtと前記荷重センサ４１で検出されたタイヤ横力ＦL ，ＦR とを比較する比較部１８と、この比較部１８での比較結果に応じてトー角制御用モータ１６に補正指令δL 、δR を与えてフィードバック制御を行う制御部１９とを有する。

タイヤ横力目標値設定手段１７は、目標横力演算出力部２０と、減速時用目標横力出力部２１とを有する。目標横力演算出力部２０は、前記荷重センサ４１で検出される左右の車輪１３のタイヤ横力ＦL ，ＦR が互いに逆向きのとき、タイヤ横力ＦL ，ＦR の絶対値が小さい方となる一方の車輪１３に作用するタイヤ横力が「０」となり、他方の車輪１３に作用するタイヤ横力が左右の車輪１３に作用するタイヤ横力ＦL ，ＦR の和となるようにタイヤ横力目標値ＦLt，ＦRtを演算出力する。この目標横力演算出力部２０により演算出力されるタイヤ横力目標値ＦLt，ＦRtは、車両が駆動力を必要とする加速時または定速走行時のトー角制御に用いられる。

減速時用目標横力出力部２１は、車両が減速走行時のトー角制御に用いられるタイヤ横力目標値ＦLt，ＦRtとして、最適な直進安定性が得られるように予め設定された目標横力、または減速度に応じて演算された目標横力を出力する。「予め設定された目標横力」とは、設計や試験により求められて、車両の実用までに減速時用目標横力出力部２１に設定された目標横力である。この目標横力が用いられる減速走行時において、トー角制御手段６は、減速度が大きいほどトー角をトーイン側に設定するように制御する。トー角制御手段６には、その制御に用いられる車両運転状態に関する情報として、車速センサ２２で検出される車速情報が入力される。

図３は、トー角制御手段６における前記目標横力演算出力部２０がタイヤ横力目標値ＦLt，ＦRtを演算出力するときの演算処理のフロー図である。このフロー図を参照して、その演算処理の概要を以下に説明する。減速時でないとき、すなわち車両が走行駆動源（図示せず）の駆動力を必要とする加速時または定速走行時（ステップＳ１）において、左右の車輪１３に設けられた荷重センサ４１から左右の車輪１３に作用するタイヤ横力ＦL ，ＦR を取得する（ステップＳ２）。このタイヤ横力の向きが逆の場合（ステップＳ３）、タイヤ横力ＦL ，ＦR の絶対値が小さい方の車輪１３に作用するタイヤ横力の目標値を「０」とし、他方の車輪１３に作用するタイヤ横力の目標値を、左右の車輪１３のタイヤ横力の和ＦL ＋ＦR とする（ステップＳ４，Ｓ５）。すなわち、他方の車輪１３に作用するタイヤ横力の絶対値を減少させる。
車両の減速走行時のトー角制御には、上記したように適当な直線安定性が得られるように減速時用目標横力出力部２１で設定されるタイヤ横力目標値が用いられる。

このように、図２に示すトー角制御手段６によるトー角制御によって、減速時でないとき（加速時や定速走行時）は、左右の車輪１３に作用するタイヤ横力ＦL ，ＦR の総和は変化せず、左右の車輪１３に作用するタイヤ横力ＦL ，ＦR の絶対値の総和は減少させることができる。よって、タイヤ横力の後ろ向き成分による走行抵抗を減少させることができ、燃費を向上させることができる。この制御は、駆動力を必要とする加速または定速走行時に実施する。
その結果、従来例（例えば特許文献２）にあったような、アクチュエータのロッドのストローク量と実際のトー角のずれ（すなわち、誤差）等の影響を受けず、燃費が最良となるトー角に設定することができる。また、走行路の勾配、車外の風等の影響がある場合でも、左右の車輪１３に作用するタイヤ横力の総和が最小となるトー角に制御できるので、最良の燃費で走行できる。また、この制御装置では、トー角制御のための特別な記憶装置を必要とせず、制御装置の構成を簡素化できる。

車両の減速走行時には、直進安定性向上のため、予め設定されたタイヤ横力目標値、あるいは減速度に応じて演算されたタイヤ横力目標値となるように、トー角がトーイン側に設定される。この制御装置でのトー角制御手段６では、トー角でなくタイヤ横力をフィードバック制御することによりトー角を設定するので、従来例（例えば特許文献２）にあったような、アクチュエータのロッドのストローク量と実際のトー角のずれ（誤差）や路面状況等の影響を受けず、最適な直進安定性を得ることができる。

なお、上記実施形態における荷重センサ４１は、例えば、車両の左右の車輪１３の車輪用軸受に設置する。図４，図５と共に、荷重センサ付きの車輪用軸受の一例を説明する。この車輪用軸受３１は、固定輪である外方部材５１と回転輪である内方部材５２の間に複列の転動体５３を介在させ、外方部材５１の有する車体取付用フランジ５１ａをナックル５５に取付け、内方部材５２の有する車輪取付用フランジ５２ａに車輪（同図には図示せず）が取付けられる。荷重センサ４１は、図５に示すように、外方部材５１の外周面における上下左右の４か所に取付けられている。各荷重センサ４１は、外方部材５１に取付けられて外方部材５１の歪みを直接に検出する歪みセンサであっても良い。また、各荷重センサ４１は、外方部材５１に複数箇所（例えば２〜３箇所）で接触させた歪み発生用部材（図示せず）とこの歪み発生用部材に貼り付けた歪みセンサ（図示せず）とで構成されて、外方部材５１の歪みでその歪みを拡大するように歪み発生用部材を歪ませ、この歪み発生用部材の歪みから前記荷重を検出するものであっても良い。図４に示す推定手段４２は、荷重センサ４１の検出値から左右の車輪１３に作用するタイヤ横力ＦL ，ＦR の推定値を演算する。推定手段４２は、例えば前記ＥＣＵ３（図１）に設けられていても、または専用の電荷回路として設けられていても良い。

１…ハンドル（ステアリングホイール）
２…操舵角センサ
４…操舵反力モータ
５…ステアリング制御手段
６…トー角制御手段
１０…転舵軸
１３…車輪
１５…転舵用モータ
１６…トー角制御用モータ
１７…タイヤ横力目標値設定手段
２０…目標横力演算出力部
２１…減速時用目標横力出力部
２２…車速センサ
４１…荷重センサ（タイヤ横力検出手段）

Claims (6)

1. 車輪を転舵させ、かつ車輪のトー角を変える転舵軸と機械的に連結されていないステアリングホイールと、このステアリングホイールの操舵角を検出する操舵角センサと、前記転舵軸に転舵動作を行わせる転舵用モータと、前記転舵軸にトー角変更動作を行わせるトー角制御用モータと、前記操舵角センサの検出する操舵角と運転状態とを基に前記転舵用モータを制御し、運転状態を基に前記トー角制御用モータを制御するステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置であって、
   左右の車輪に作用するタイヤ横力を検出するタイヤ横力検出手段と、この検出されたタイヤ横力が目標の横力となるように、左右の車輪のトー角を互いに独立に制御するトー角制御手段を設けたことを特徴とするステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置。
2. 請求項１において、前記タイヤ横力検出手段は、前記左右の車輪にそれぞれ設けた荷重センサであるステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置。
3. 請求項１または請求項２において、前記トー角制御手段は、左右の車輪のタイヤ横力が互いに逆向きのとき、タイヤ横力の絶対値が小さい方となる一方の車輪に作用するタイヤ横力が０となり、他方の車輪に作用するタイヤ横力が左右の車輪に作用するタイヤ横力の和となるように目標の横力を演算出力する目標横力演算出力部を有し、前記タイヤ横力検出手段で検出されたタイヤ横力が、前記目標横力演算出力部で演算された目標の横力なるように左右の車輪のトー角を制御するステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置。
4. 請求項３において、前記トー角制御手段は、前記目標横力演算出力部により演算出力される目標横力を、駆動力を必要とする加速時または定速走行時のトー角制御に用いるステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記トー角制御手段は、目標の横力として、最適な直進安定性が得られるように設定された目標横力、または減速度に応じて演算された目標横力を出力し、その目標横力が減速走行時のトー角制御に用いられる減速時用目標横力出力部を有し、前記タイヤ横力検出手段で検出されたタイヤ横力が、前記減速時用目標横力出力部で演算された目標の横力なるように左右の車輪のトー角を制御するステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置。
6. 請求項５において、前記トー角制御手段は、前記減速時用目標横力出力部から出力される目標横力を用いたトー角制御において、減速度が大きいほどトー角をトーイン側に設定するステアバイワイヤ式操舵機構の制御装置。

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