JP2020142598A

JP2020142598A - 車両用操舵装置

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Publication number: JP2020142598A
Application number: JP2019039803A
Authority: JP
Inventors: 隆宏岡野; Takahiro Okano; 孝文佐藤; Takafumi Sato
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-03-05
Filing date: 2019-03-05
Publication date: 2020-09-10
Anticipated expiration: 2039-03-05
Also published as: JP7159917B2; US11485406B2; CN111661142B; CN111661142A; US20200283058A1

Abstract

【課題】走行環境条件の変化に対して転舵制御の精度を確保することができるステアバイワイヤ方式の車両用操舵装置を提供する。【解決手段】本発明に係る車両用操舵装置は、ステアリングホイールと機械的に切り離され、転舵モータによって操向輪を転舵させるステアリング機構と、転舵モータにモータ指令値を与える制御装置４とを備える。制御装置４は、目標転舵角をモータ指令値のフィードフォワード値に変換するためのフィードフォワードモデル３２と、目標転舵角と実際の転舵角との差分をモータ指令値のフィードバック値に変換するためのフィードバックモデル３３とを含む２自由度制御系を有する。フィードフォワードモデル３２を記述する伝達関数は可変係数を含む。制御装置４は、路面反力に関する情報に基づいて可変係数を変更する。【選択図】図２

Description

本発明は、ステアバイワイヤ方式の車両用操舵装置に関する。

特許文献１には、ステアバイワイヤ方式の車両用操舵装置において、２自由度制御系によって転舵モータを制御する例が開示されている。ここに開示された従来の２自由度制御系では、モータ、変速機、ステアリングラック、タイロッド、タイヤ等を含めた転舵軸まわりの慣性モーメントや、転舵軸まわりの粘性係数がフィードフォワードモデルに組み込まれている。しかしながら、従来の２自由度制御系では、走行環境条件が変化した場合、フィードフォワードモデルと実際の制御対象とのずれが拡大し、転舵制御の精度が損なわれるおそれがあった。

特開２００５−２２５３５５号公報

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、走行環境条件の変化に対して転舵制御の精度を確保することができるステアバイワイヤ方式の車両用操舵装置を提供することを目的とする。

本発明に係る車両用操舵装置は、ステアリングホイールと機械的に切り離され、転舵モータによって操向輪を転舵させるステアリング機構と、転舵モータにモータ指令値を与える制御装置とを備える。制御装置は、目標転舵角をモータ指令値のフィードフォワード値に変換するためのフィードフォワードモデルと、目標転舵角と実際の転舵角との差分をモータ指令値のフィードバック値に変換するためのフィードバックモデルとを含む２自由度制御系を有する。フィードフォワードモデルを記述する伝達関数は可変係数を含む。制御装置は、路面反力に関する情報に基づいて伝達関数の可変係数を変更する。

上記構成によれば、走行環境条件の変化によって路面反力に変化が生じた場合、路面反力の変化に応じてフィードフォワードモデルを記述する伝達関数の可変係数が変更される。これにより、走行環境条件の変化に伴うフィードフォワードモデルと制御対象とのずれの拡大は抑えられる。

制御装置は、フィードバック値が所定値以上になった場合、路面反力に関する情報に基づいて伝達関数の可変係数を変更してもよい。つまり、伝達関数の可変係数の変更は、フィードバック値が所定値以上になってからでもよい。これによれば、フィードフォワードモデルと制御対象とのずれが小さい段階での可変係数の頻繁な変更を抑制し、制御の安定性を確保することができる。

制御装置は、伝達関数の可変係数の変更速度を所定の上限値以下に制限してもよい。可変係数の変更速度に制限を設けることで、車両挙動の急変を防ぐことができる。また、制御装置は、目標転舵角の変更速度が所定値以下の場合、上限値を超えない範囲において可変係数の最大変更速度を目標転舵角の変更速度に応じて増大させてもよい。

車両が停車中の場合や、車両に作用する横加速度が飽和領域にある場合は、転舵制御には応答性よりも安定性が優先される。このような場合、制御装置は、伝達関数の可変係数の変更を停止した上で、フィードバック値を所定の上限値以下に制限してもよい。これにより転舵制御の安定性を保持することができる。また、制御装置は、目標転舵角の変更速度が所定値以下の場合、上限値を超えない範囲においてフィードバック値の最大値を目標転舵角の変更速度に応じて増大させてもよい。

本発明に係る車両用操舵装置によれば、走行環境条件の変化によって路面反力に変化が生じた場合、路面反力の変化に応じてフィードフォワードモデルを記述する伝達関数の可変係数が変更される。これにより、走行環境条件の変化に伴うフィードフォワードモデルと制御対象とのずれの拡大は抑えられるので、走行環境条件の変化に対して転舵制御の精度を確保することができる。

本発明の実施の形態に係る車両用操舵装置の構成を示す図である。本発明の実施の形態に係る車両用操舵装置の制御システムを示すブロック図である。転舵システムをモデル化した図である。路面反力係数Ｋ_２の一つの設定例を示す図である。路面反力係数Ｋ_２の別の設定例を示す図である。路面反力係数Ｋ_２の別の設定例を示す図である。路面反力係数Ｋ_２の最大変更速度の設定例を示す図である。フィードバック値の最大値の設定例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

図１は、本発明の実施の形態に係る車両用操舵装置２の構成を示す図である。車両用操舵装置２はステアリング機構２０を備える。ステアリング機構２０は、ステアリングホイール２８と機械的に接続されずに転舵モータ２４により操向輪２９を転舵することができるステアバイワイヤ方式のステアリング機構である。ステアリングホイール２８は、運転者による操舵操作が入力される操舵部材である。ステアリングホイール２８は、ステアリングシャフト２１を介して反力モータ２３に連結されている。反力モータ２３は、操向輪２９の転舵角に応じた反力をステアリングホイール２８に付与する。ステアリングシャフト２１には、ステアリングホイール２８の回転角度、すなわち操舵角に応じた信号を出力する操舵角センサ２２が設けられている。

転舵モータ２４は、図示しない減速機構を介してラックシャフト２６に取り付けられている。ラックシャフト２６はステアリングシャフト２１には機械的に連結されていない。操向輪２９は、タイロッド２７を介してラックシャフト２６に連結されている。転舵モータ２４を回転させてラックシャフト２６をその軸方向に直線運動させることにより、タイロッド２７を介して操向輪２９の転舵角が変更される。転舵モータ２４には、操向輪２９の転舵角に応じた信号を出力する転舵角センサ２５が設けられている。

車両用操舵装置２は制御装置４を備える。制御装置４は、少なくとも１つのプロセッサ６と少なくとも１つのメモリ８とを有するＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。メモリ８には、転舵制御に用いるマップを含む各種のデータや各種のプログラムが記憶されている。プロセッサ６がメモリ８からプログラムを読みだして実行することにより、転舵制御に関係する様々な機能が制御装置４において実現される。

制御装置４は、転舵モータ２４に供給するモータ電流を制御することにより、転舵モータ２４からラックシャフト２６に付与される転舵制御のためのトルクを制御する。転舵制御に関連する物理量を計測する各種のセンサは、直接、或いは、車両内に構築された通信ネットワークを介して制御装置４に接続されている。そのようなセンサには、少なくとも操舵角センサ２２と転舵角センサ２５と車輪速センサ１０とが含まれる。

図２は、本実施の形態に係る車両用操舵装置２の制御システムを示すブロック図である。この制御システムにおけるプラント（制御対象）は、制御装置４で決定された目標モータ電流に従って操向輪２９を転舵させる転舵システム３１である。転舵システム３１には、目標モータ電流に従って転舵モータ２４にモータ電流を供給する図示しないモータドライバと、転舵モータ２４と、転舵モータ２４のトルクをラックシャフト２６に伝えるトルクの伝達機構と、操向輪２９とが含まれる。

転舵システム３１は図３のようにモデル化することができる。まず、転舵システム３１では、目標モータ電流に従ってモータドライバから転舵モータ２４にモータ電流が出力される。その際のモータ電流の制御応答の時定数をτとすると、モータ電流ｉと目標モータ電流ｉ^＊との関係は以下の式で表される。なお、制御応答の時定数τは固定値であって、具体的には０．００１秒程度の値である。
ｉ＝（１／（１＋τｓ））×ｉ^＊

次に、転舵システム３１では、転舵モータ２４においてモータ電流がモータトルクに変換される。その際のモータトルク係数をＫ_１とすると、モータトルクＴ_Ｍとモータ電流ｉとの関係は以下の式で表される。なお、モータトルク係数Ｋ_１は固定値であって、具体的には０．０２〜０．０５Ｎｍ／Ａ程度の値である。
Ｔ_Ｍ＝Ｋ_１×ｉ

次に、転舵システム３１では、転舵モータ２４からラックシャフト２６までのトルクの伝達機構において転舵モータ２４のモータトルクがラックシャフト２６のラックトルクに変換される。その際のギア比をＫ_Ｇとすると、ラックトルクＴ_ＲとモータトルクＴ_Ｍとの関係は以下の式で表される。なお、ギア比Ｋ_Ｇは固定値であって、具体的には１０〜３０程度の値である。
Ｔ_Ｒ＝Ｋ_Ｇ×Ｔ_Ｍ

次に、転舵システム３１では、ラックシャフト２６のラックトルクによって操向輪２９が転舵される。その際のラックトルクと操向輪２９の転舵角との関係は、操向輪２９が路面から受ける路面反力に依存する。路面反力係数をＫ_２とすると、転舵角δとラックトルクＴ_Ｒとの関係は以下の式で表される。路面反力係数Ｋ_２の具体的な値は、例えばドライ路面において転舵角δが３０度の場合、ラックストロークを８０ｍｍとすると、ラックトルクＴ_Ｒが１００００Ｎｍ程度になるような値である。
δ＝（１／（Ｋ_２×ｓ^２））×Ｔ_Ｒ

以上より、転舵システム３１のモデルは以下の伝達関数によって表すことができる。
転舵システムモデル：（（Ｋ_１×Ｋ_Ｇ）／（Ｋ_２×ｓ^２））×（１／（１＋τｓ））

再び図２に戻り、本実施の形態に係る車両用操舵装置２の制御システムについて説明を続ける。制御システムは、上記のようにモデル化することが可能な転舵システム３１と、フィードフォワードモデル３２とフィードバックモデル３３とを含む２自由度制御系を有する制御装置４とにより構成される。

フィードフォワードモデル３２では、目標転舵角δ^＊から目標モータ電流ｉ^＊のフィードフォワード値ｉ_ｆｆ ^＊が算出される。フィードフォワードモデル３２は、転舵システム３１が上記のようモデル化される場合、例えば以下の伝達関数によって表すことができる。
フィードフォワードモデル：Ｋ_１／（Ｋ_２×Ｋ_Ｇ×ｓ^２）

フィードバックモデル３３では、目標転舵角δ^＊と実際の転舵角δとの差分から目標モータ電流ｉ^＊のフィードバック値ｉ_ｆｂ ^＊が算出される。フィードバック制御が例えばＰＤ制御である場合、フィードバックモデル３３は以下の伝達関数によって表すことができる。Ｋ_ｐは比例ゲイン、τ_Ｄは微分時間である。
フィードバックモデル：Ｋ_ｐ×（１＋τ_Ｄ×ｓ）

フィードフォワードモデル３２で算出されたフィードフォワード値ｉ_ｆｆ ^＊にフィードバックモデル３３で算出されたフィードバック値ｉ_ｆｂ ^＊が足し合わされ、その合計値である目標モータ電流ｉ^＊が転舵モータ２４に対しモータ指令値として与えられる。ただし、モータ指令値は必ずしも電流でなくてもよい。例えば、転舵モータ２４で発生させるモータトルクの目標値をモータ指令値としてもよい。

さて、上記の通り、フィードフォワードモデル３２の伝達関数には路面反力係数Ｋ_２が含まれる。フィードフォワードモデル３２では、路面反力係数Ｋ_２を固定値ではなく、走行環境条件によって変化しうる可変係数として扱う。制御装置４は、車輪速センサ１０や転舵角センサ２５等の情報取得装置により取得された情報に基づいて路面反力係数Ｋ_２を変更する。情報取得装置により取得される情報は路面反力に関する情報であり、例えば、車速、路面摩擦係数、転舵角、ＡＢＳやＶＳＣの作動状態等が含まれる。以下、各情報に対する路面反力係数Ｋ_２の設定について具体的に説明する。

図４は、車速Ｖに対する路面反力係数Ｋ_２の設定の例を示す図である。車速が低いほど操向輪２９の慣性は大きくなり、ラックシャフト２６のラックトルクの変化に対して操向輪２９が追従しにくくなる。このため、制御装置４は、他の条件が一定である場合には、図４に示すように車速Ｖが低いほど路面反力係数Ｋ_２を大きい値に設定する。なお、本実施の形態では、車速は車輪速センサ１０の信号を用いて計測される。

図５は、路面摩擦係数μに対する路面反力係数Ｋ_２の設定の例を示す図である。路面摩擦係数が低いほど操向輪２９は滑りやすくなり、ラックシャフト２６のラックトルクの変化に対して操向輪２９が追従しやすくなる。このため、制御装置４は、他の条件が一定である場合には、図５に示すように路面摩擦係数μが低いほど路面反力係数Ｋ_２を小さい値に設定する。なお、路面摩擦係数は直接には計測できないために推定する必要があるが、その推定方法には限定はない。例えば、ナビゲーションシステムで取得した路面状態に関する情報から路面摩擦係数を推定してもよいし、車輪速センサ１０等の車両センサで取得したセンサ情報を用いて路面摩擦係数を推定してもよい。

図６は、転舵角δに対する路面反力係数Ｋ_２の設定の例を示す図である。転舵角δが大きくなるほど操向輪２９に作用する捩じれ力が大きくなるため、ラックシャフト２６のラックトルクの変化に対して操向輪２９が追従しにくくなる。このため、制御装置４は、他の条件が一定である場合には、図６に示すように転舵角δが大きいほど路面反力係数Ｋ_２を大きい値に設定する。なお、本実施の形態では、転舵角δは転舵角センサ２５の信号を用いて計測される。

また、制御装置４は、ＡＢＳやＶＳＣが作動している場合は、ＡＢＳやＶＳＣが作動していない場合よりも路面反力係数Ｋ_２を小さい値に変更する。ＡＢＳやＶＳＣの作動状態に関する情報は、図示しないＡＢＳの制御装置やＶＳＣの制御装置から制御装置４へ与えられる。

以上のように、制御装置４は、路面反力に関する複数のパラメータに応じて路面反力係数Ｋ_２を変更する。各パラメータに応じて路面反力係数Ｋ_２を変更する具体的な方法としては、例えばマップを用いてもよい。つまり、各パラメータに路面反力係数Ｋ_２を関連付けるマップをメモリ８に記憶しておき、マップを参照して路面反力係数Ｋ_２を決定してもよい。また、車速Ｖに対応する路面反力係数Ｋ_２Ｖ、路面摩擦係数μに対応する路面反力係数Ｋ_２μ、転舵角δに対応する路面反力係数Ｋ_２δ、ＡＢＳの作動状態に対応する路面反力係数Ｋ_２ＡＢＳ、ＶＳＣの作動状態に対応する路面反力係数Ｋ_２ＶＳＣ等をそれぞれ設定し、以下の式で路面反力係数Ｋ_２を計算してもよい。
Ｋ_２＝Ｋ_２Ｖ×Ｋ_２μ×Ｋ_２δ×Ｋ_２ＡＢＳ×Ｋ_２ＶＳＣ

以上説明した制御システムによれば、走行環境条件の変化によって路面反力に変化が生じた場合、路面反力の変化に応じてフィードフォワードモデル３２を記述する伝達関数の路面反力係数Ｋ_２が変更される。路面反力係数Ｋ_２の変更は、目標転舵角δ^＊と実際の転舵角δとの差分を減少させるように行われる。これにより、走行環境条件の変化に伴うフィードフォワードモデル３２と実際の転舵システム３１とのずれの拡大は抑えられるので、走行環境条件の変化に対して転舵制御の精度を確保することができる。

なお、路面反力係数Ｋ_２の変更は、フィードフォワードモデル３２と実際の転舵システム３１とのずれがある程度拡大してから行うようにしてもよい。具体的には、路面反力係数Ｋ_２の値は固定しておき、フィードバックモデル３３で算出されるフィードバック値ｉ_ｆｂ ^＊が所定値以上になったことを条件として、路面反力係数Ｋ_２の変更を行うようにしてもよい。これによれば、フィードフォワードモデル３２と実際の転舵システム３１とのずれが小さい段階での路面反力係数Ｋ_２の頻繁な変更を抑制し、制御の安定性を確保することができる。

また、路面反力係数Ｋ_２の変更を行う場合、路面反力係数Ｋ_２の変更速度（単位時間当たりの変更量）に制限をかけてもよい。図７は路面反力係数Ｋ_２の最大変更速度の設定例を示す図である。図７に示す例では、路面反力係数Ｋ_２の最大変更速度を目標転舵角の変更速度の増大に応じて増大させているが、目標転舵角の変更速度が所定値を超えた場合には、路面反力係数Ｋ_２の最大変更速度を一定値に保持している。つまり、路面反力係数Ｋ_２の変更速度は所定の上限値以下に制限されている。このように路面反力係数Ｋ_２の変更速度に制限を設けることで、車両挙動の急変を防ぐことができる利点がある。

ところで、車両が停車中の場合や、車両に作用する横加速度が飽和領域にある場合は、転舵制御には応答性よりも安定性が優先される。このような場合は、路面反力係数Ｋ_２の変更を停止した上で、図８に示すように、フィードバックモデル３３で算出されるフィードバック値ｉ_ｆｂ ^＊を所定の上限値以下に制限してもよい。このような制限を設けることで、転舵制御の安定性を保持することができる。また、図８に示すように、目標転舵角の変更速度が所定値以下の場合は、上限値を超えない範囲においてフィードバック値の最大値（最大ＦＢ値）を目標転舵角の変更速度に応じて増大させてもよい。

２車両用操舵装置
４制御装置
６プロセッサ
８メモリ
１０車輪速センサ
２０ステアリング機構
２１ステアリングシャフト
２２操舵角センサ
２３反力モータ
２４転舵モータ
２５転舵角センサ
２６ラックシャフト
２７タイロッド
２８ステアリングホイール
２９操向輪
３１転舵システム
３２フィードフォワードモデル
３３フィードバックモデル

Claims

ステアリングホイールと機械的に切り離され、転舵モータによって操向輪を転舵させるステアリング機構と、
前記転舵モータにモータ指令値を与える制御装置と、を備え、
前記制御装置は、目標転舵角を前記モータ指令値のフィードフォワード値に変換するためのフィードフォワードモデルと、前記目標転舵角と実際の転舵角との差分を前記モータ指令値のフィードバック値に変換するためのフィードバックモデルとを含む２自由度制御系を有し、前記フィードフォワードモデルを記述する伝達関数は可変係数を含み、
前記制御装置は、路面反力に関する情報に基づいて前記可変係数を変更する
ことを特徴とするステアバイワイヤ方式の車両用操舵装置。
前記制御装置は、前記フィードバック値が所定値以上になった場合、路面反力に関する情報に基づいて前記可変係数を変更する
ことを特徴とする請求項１に記載のステアバイワイヤ方式の車両用操舵装置。
前記制御装置は、前記可変係数の変更速度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２に記載のステアバイワイヤ方式の車両用操舵装置。
前記制御装置は、前記目標転舵角の変更速度が所定値以下の場合、前記上限値を超えない範囲において前記可変係数の最大変更速度を前記目標転舵角の変更速度に応じて増大させる
ことを特徴とする請求項３に記載のステアバイワイヤ方式の車両用操舵装置。
前記制御装置は、車両が停車中の場合、或いは、前記車両に作用する横加速度が飽和領域にある場合、前記可変係数の変更を停止した上で、前記フィードバック値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に記載のステアバイワイヤ方式の車両用操舵装置。
前記制御装置は、前記目標転舵角の変更速度が所定値以下の場合、前記上限値を超えない範囲において前記フィードバック値の最大値を前記目標転舵角の変更速度に応じて増大させる
ことを特徴とする請求項５に記載のステアバイワイヤ方式の車両用操舵装置。