JP2021123230A - 制御装置および車両 - Google Patents

Abstract

【課題】操舵角制御の制御精度を担保することが可能な制御装置および車両を提供する。【解決手段】制御装置は、ステアリングホイール側に取り付けられた第１トーションバーと、操舵輪側に取り付けられた第２トーションバーとの間に介在し、入力された指令値に基づいてステアリングホイールにモータトルクを付与するモータを備えるパワーステアリング装置用の制御装置であって、ステアリングホイールの操舵角と目標操舵角との偏差に基づいて基準指令値を算出する基準指令値算出部と、基準指令値から規範操舵トルクを算出する規範操舵トルク算出部と、第１トーションバーに生じる第１トルク及び第２トーションバーに生じる第２トルクに基づいて推定操舵トルクを算出する推定操舵トルク算出部と、算出された規範操舵トルクと推定操舵トルクとの差分に基づいて、補正値を算出する補正値算出部と、算出された基準指令値を補正値で補正する補正部と、を備える。【選択図】図６

Description

本開示は、制御装置および車両に関する。

例えば、商用車においては、重量の重い車体の操舵角を制御するため、パワーステアリング装置のモータトルクを減速機で増幅する必要がある。商用車用のパワーステアリング装置は、モータトルクを減速機で増幅し、ステアリングホイールの操舵角と転舵輪の角度とを変化させる。

例えば、特許文献１には、車両を目標車線に維持するため、車載カメラ（画像）や距離センサなどの信号に基づいて目標操舵角を生成し、目標操舵角をパワーステアリング装置に提示する自動運転システムが開示されている。

また、例えば、特許文献２には、目標操舵角と操舵角検出部が検出した実際の操舵角との偏差からＰＩＤ制御（Proportional-Integral-Differential Controller）にてモータトルクの指令値を算出し、実際の操舵角を目標操舵角に収束させることが可能な自動運転システムが開示されている。

国際公開第２０１４／１３６５１５号 特開２０１５−２２３８７５号公報

ところで、パワーステアリング装置の減速機は、モデル化困難な摩擦特性や、バックラッシ等の非線形特性を有している。図１は、モータトルクと減速機の出力トルクの関係の一例を示す図である。図１の横軸にモータトルク（Ｎｍ）、縦軸に減速機の出力トルク（Ｎｍ）を示す。また、図１に、モータトルクと減速機の出力トルクとの両者が対応していない状態Ｓ１を示す。状態Ｓ１の発生原因は、減速機の有する非線形特性の影響による。

図２はＰＩＤ制御のみでの操作角制御の一例を示す図である。図２の横軸に時間（ｓｅｃ）、縦軸に角度（ｄｅｇ）を示す。図２に示すように、両者が対応していない状態Ｓ１が発生することによって実際の操舵角（実操舵角）と目標操舵角との間に偏差が発生する。特許文献２に記載のＰＩＤ制御のみによる自動運転システムでは、減速機の有する非線形特性を補償できない可能性がある。

以上のように、非線形特性の影響により、ＰＩＤ制御のみでの操作角制御では、操舵角制御の制御精度を担保することができない場合がある。これにより、実際の操舵角と目標操舵角との偏差が増大し、実際の操舵角を目標操舵角に収束させることができない場合がある。

実際の操舵角と目標操舵角との偏差があると、車両が目標車線に維持されない場合がある。また、車両が目標車線に近づいたり、離れたりするフラツキが発生する場合がある。これにより、自動運転時の乗り心地が悪化するおそれがある。また、特に、商用車では、重量が重いため、偏差による乗り心地の悪化が顕著になる傾向がある。

本開示の目的は、操舵角制御の制御精度を担保することが可能な制御装置および車両を提供することである。

上記の目的を達成するため、本開示における制御装置は、
ステアリングホイール側に取り付けられた第１トーションバーと、操舵輪側に取り付けられた第２トーションバーと、前記第１トーションバーと前記第２トーションバーとの間に介在し、入力された指令値に基づいて前記ステアリングホイールにモータトルクを付与するモータと、を備えるパワーステアリング装置用の制御装置であって、
前記ステアリングホイールの操舵角と目標操舵角との偏差に基づいて基準指令値を算出する基準指令値算出部と、
前記基準指令値から規範操舵トルクを算出する規範操舵トルク算出部と、
前記第１トーションバーに生じる第１トルクを取得するとともに、前記第２トーションバーに生じる第２トルクを取得する取得部と、
取得された前記第１トルク及び前記第２トルクに基づいて推定操舵トルクを算出する推定操舵トルク算出部と、
算出された前記規範操舵トルクと前記推定操舵トルクとの差分に基づいて、補正値を算出する補正値算出部と、
算出された前記基準指令値を前記補正値で補正する補正部と、
を備える。

本開示における車両は、
上記制御装置と、
上記制御装置により補正された指令値が入力されるモータを有するパワーステアリング装置と、
を備える。

本開示によれば、操舵角制御の制御精度を担保することができる。

図１は、モータトルクと減速機の出力トルクの関係の一例を示す図である。 図２は、ＰＩＤ制御のみでの操作角制御の一例を示す図である。 図３は、本開示の一実施の形態に係る制御装置を備えた車両の構成を示す機能ブロック図である。 図４は、制御装置等の構成を示す機能ブロック図である。 図５は、パワーステアリング装置の構成を概略的に示す図である。 図６は、パワーステアリング装置側のＥＣＵの構成を示す機能ブロック図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図３は、本開示の一実施の形態に係る制御装置４０を備えた車両１の構成を示す機能ブロック図である。図４は、制御装置４０等の構成を示す機能ブロック図である。

図３および図４に示すように、車両１は、ステアリングホイール１２、リンク機構１５と、操舵輪１６と、パワーステアリング装置２０と、車載センサ３０と、制御装置４０と、を備える。

ステアリングホイール１２は、ステアリングコラム１３、ステアリングシャフト１４、パワーステアリング装置２０およびリンク機構１５を介して操舵輪１６に接続されている。

パワーステアリング装置２０は、図４および図５に示すように、電動モータ２２と、減速機２４と、油圧ユニット２６とを有する。電動モータ２２は、上述する自動運転システムに適用するために設けられた操舵アクチュエータであって、制御装置４０からの制御信号（指令値）に基づいて制御される。

油圧ユニット２６は、油圧ポンプ（不図示）で加圧された作動油が供給されるシリンダー（不図示）と、作動油の圧力により直線運動するピストン（不図示）と、ピストンの直線運動を回転運動に変換し、回転運動をステアリングシャフト１４に伝達するセクタシャフト（不図示）とを有する。

図５は、パワーステアリング装置２０の構成を概略的に示す図である。図５に示すように、減速機２４は、ウォーム２４ａとウォームホイール２４ｂとを有する。ウォーム２４ａは、電動モータ２２の出力軸に固定される。ウォームホイール２４ｂは、ウォーム２４ａと噛み合う。ウォームホイール２４ｂは、ステアリングコラム１３と同軸に配置される。減速機２４は、減速比に応じてモータトルクを増幅させる。

ウォームホイール２４ｂの回転軸とステアリングコラム１３とは第１トーションバー１７により連結される。ウォームホイール２４ｂの回転軸とステアリングシャフト１４とは第２トーションバー１８により連結される。

車載センサ３０は、例えば、トルクセンサ３２，３２ａおよび舵角センサ３４を有する。トルクセンサ３２は、第１トーションバー１７に生じるトルクＴ１を検出する。また、トルクセンサ３２ａは、第２トーションバー１８に生じるトルクＴ２を検出する。

舵角センサ３４は、ステアリングホイール１２の実際の操舵角θｒ（図６を参照）を検出する。舵角センサ３４は、例えば、ステアリングホイール１２に配置される。

図４に示すように、制御装置４０は、車両１側のＥＣＵ４０Ａ（Electronic control Unit）およびパワーステアリング装置２０側のＥＣＵ４０Ｂを備える。

車両１側のＥＣＵ４０Ａは、目標操舵角演算部４１を有する。目標操舵角演算部４１は、車両１を目標車線に維持するため、車載カメラ１９（図３を参照）や距離センサなどの信号に基づいて目標操舵角θｐ（図６を参照）を生成し、目標操舵角θｐをパワーステアリング装置２０側のＥＣＵ４０Ｂに出力する。

図４に示すように、パワーステアリング装置２０側のＥＣＵ４０Ｂは、モータ指令値演算部４２、ｄｑ軸電流指令値演算部４３および電力変換器指令値演算部４４を有する。モータ指令値演算部４２は、目標操舵角θｐに基づいてモータ指令値を演算する。

ｄｑ軸電流指令値演算部４３は、モータ指令値に従って、電動モータ２２の電流値を直交したｄ軸電流と、ｑ軸電流に分離する。電力変換器指令値演算部４４は、電力変換器に必要な電圧を要求する指令値を演算する。電力変換器は、電動モータ２２に電力を供給する。

図６は、パワーステアリング装置２０側のＥＣＵ４０Ｂの構成を示す機能ブロック図である。図６に示すように、ＥＣＵ４０Ｂは、ＰＩＤ演算部４５、規範操舵トルク算出部４６、推定操舵トルク算出部４７、補正値算出部４８、補正部４９、振動制御フィルター５１、および、取得部５２（図４を参照）を有する。

ＰＩＤ演算部４５（本開示の「基準指令値算出部」に対応する）は、目標操舵角θｐと実際の操舵角θｒとの偏差に対して、ＰＩＤ演算（比例演算、積分演算および微分演算）を行う。図６にＰＩＤ演算の結果である基準指令値Ｔｐを示す。

振動制御フィルター５１は、特定帯域（共振周波数帯域）の周波数成分を減衰させるフィルターである。以下に、振動制御フィルター５１が減衰させるべき周波数成分について図５を参照して説明する。

ステアリングホイール１２において、慣性力Ｊ_ｈ、粘性抵抗力Ｃ_ｈ、復元力Ｋ_ｈは、外力とつり合うことから、ステアリングホイール１２の運動方程式は、次式（１）となる。

また、電動モータ２２において、慣性力Ｊ_ｗ、粘性抵抗力Ｃ_ｗは、外力とつり合うことから、電動モータ２２の運動方程式は、次式（２）となる。

ここで、Ｔ_ｇは、次式（３）に示す減速機２４の運動方程式である。

また、油圧ユニット２６において、慣性力Ｊ_Ｉｐ、粘性抵抗力Ｃ_Ｉｐ、復元力Ｋ_Ｉｐは、外力とつり合うことから、油圧ユニット２６の運動方程式は、次式（４）となる。

ここで、Ｔｓは、路面から操舵輪１６へ発生するトルク（セルフアライニングトルク）である。また、ｇ（θ_Ｉｐ，θ_ｗ）は、油圧ユニットの応答を簡易化してＬＴＩモデル（Linear time invariant model）としたものである。ＬＴＩモデルのパラメータは実験とフィッテイングや試行錯誤的に決定される。

上記それぞれの運動方程式からわかるように、ステアリングホイール１２、電動モータ２２、減速機２４、および、油圧ユニット２６は、弾性や粘性抵抗を示す要素を有する。これらの要素によりステアリングホイール１２等は振動を発生する場合がある。振動を抑えるため、ステアリングホイール１２等の共振周波数を含む周波数帯域を減衰させるための振動制御フィルター５１が設けられる。

以下、ステアリングホイール１２の共振周波数帯域の周波数成分を減衰させるための振動制御フィルター５１を代表して説明する。ここでは、振動制御フィルター５１の一例としてノッチフィルターを示す。
振動制御フィルター５１（ノッチフィルター）の伝達関数は、次式（５）で表すことができる。

ここで、γｐは減衰幅、ωｐは減衰させる中心周波数（ｒａｄ／ｓ）、ｇｐはノッチ深さである。

振動制御フィルター５１を通過した後の基準指令値Ｔｐは、共振周波数帯域の周波数成分が減衰されたものとなる。

なお、振動制御フィルター５１として、ステアリングホイール１２の共振周波数帯域の周波数成分を減衰させるためのフィルターを説明したが、電動モータ２２、減速機２４、および、油圧ユニット２６のそれぞれに係る振動制御フィルターも同様に構成することが可能である。この場合、これらの振動制御フィルターは、ステアリングホイール１２、電動モータ２２、減速機２４、および、油圧ユニット２６それぞれの共振周波数帯域の周波数成分を減衰させるためのフィルターとして配置される。

規範操舵トルク算出部４６は、基準指令値Ｔｐにギア比ｋ１を乗算することにより規範操舵トルクＴ’ｈを算出する。ここで、ギア比ｋ１とは、ウォームホイール２４ｂを１回転させるために要するウォーム２４ａの回転数である。

取得部５２（図４を参照）は、トルクセンサ３２から第１トルクＴ１を取得するとともに、トルクセンサ３２ａから第２トルクＴ２を取得する。推定操舵トルク算出部４７は、第１トルクＴ１および第２トルクＴ２を加算することにより推定操舵トルクＴｈを算出する。

補正値算出部４８は、規範操舵トルクＴ’ｈと推定操舵トルクＴｈとの差分に比例ゲインｋ２を乗算することで、補正値Ｔｃを算出する。

補正部４９は、基準指令値Ｔｐを補正値Ｔｃで補正する。補正された指令値は、車両１（電動モータ２２）に出力される。

次に、制御装置４０の動作について説明する。ここでは、主に、減速機の有する非線形特性の影響について説明する。

モータトルクと減速機２４の出力トルクとの両者が対応している状態では、規範操舵トルクＴ’ｈ（図５を参照）と、第１トルクＴ１および第２トルクＴ１とを加算した推定操舵トルクＴｈ（図５を参照）との間の差分は小さい。差分が小さいため、補正値Ｔｃも小さい。これにより、補正値Ｔｃで基準指令値Ｔｐを補正する補正量も少ないが、両者が対応している状態であるため、実際の操舵角と目標操舵角との間に偏差が発生するおそれがない。

これに対して、両者が対応していない状態Ｓ１（図１を参照）では、規範操舵トルクＴ’ｈと推定操舵トルクＴｈの差分が大きくなる。差分が大きいため、補正値Ｔｃも大きくなる。換言すれば、補正値Ｔｃは、両者が対応していない状態Ｓ１の程度に応じて増減する。つまり、両者が対応していない状態Ｓ１では、状態Ｓ１の程度に応じた補正値Ｔｃによって、基準指令値Ｔｐが補正されるため、実際の操舵角と目標操舵角との間に偏差が発生することや、偏差が増大することを抑えることが可能となる。以上により、減速機２４の有する非線形特性を補償することが可能となる。

上記実施の形態にかかる制御装置４０は、ステアリングホイール１２側に取り付けられた第１トーションバー１７と、操舵輪１６側に取り付けられた第２トーションバー１８と、第１トーションバー１７と第２トーションバー１８との間に介在し、入力された指令値に基づいてステアリングホイール１２にモータトルクを付与する電動モータ２２と、を備えるパワーステアリング装置２０用の制御装置４０であって、ステアリングホイール１２の操舵角と目標操舵角との偏差に基づいて基準指令値Ｔｐを算出するＰＩＤ演算部４５と、基準指令値から規範操舵トルクＴ’ｈを算出する規範操舵トルク算出部４６と、第１トーションバー１７に生じる第１トルクＴ１を取得するとともに、第２トーションバー１８に生じる第２トルクＴ２を取得する取得部５２と、取得された第１トルクＴ１及び第２トルクＴ２に基づいて推定操舵トルクＴｈを算出する推定操舵トルク算出部４７と、算出された規範操舵トルクＴ’ｈと推定操舵トルクＴｈとの差分に基づいて、補正値Ｔｃを算出する補正値算出部４８と、算出された基準指令値Ｔｐを補正値Ｔｃで補正する補正部４９と、を備える。

上記構成により、例えば、モータトルクをステアリングホイール１２に伝える伝達機構が非線形特性を有する場合、規範操舵トルクＴ’ｈと推定操舵トルクＴｈとの差分に基づいて算出された補正値Ｔｃによって、基準指令値Ｔｐが補正される。これにより、操舵制御の制御精度を担保することが可能となる。

また、上記の実施の形態に係る制御装置４０においては、推定操舵トルク算出部４８は、減速比に応じてモータトルクを増幅させる減速機２４側とステアリングホイール１２側との間に配置された第１トーションバー１７に生じる第１トルクＴ１、および、減速機２４側と操舵輪１６側との間に配置された第２トーションバー１８に生じる第２トルクＴ２に基づいて推定操舵トルクを算出する。これにより、モータトルクと減速機２４の出力トルクとの両者が対応していない状態Ｓ１であっても、状態Ｓ１の程度に応じた補正値Ｔｃによって、基準指令値Ｔｐが補正されるため、実際の操舵角と目標操舵角との間に偏差が発生することや、偏差が増大することを抑えることが可能となる。これにより、減速機２４の有する非線形特性を補償することが可能となる。

その他、上記実施の形態は、何れも本開示の実施をするにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

上記実施の形態では、アシスト力を発生する機構としての油圧ユニット２６を示したが、アシスト機構としては、油圧ユニット２６以外の機構であってもよい。

また、上記実施の形態において、本開示は、ステアリングホイール１２が、ステアリングコラム１３、ステアリングシャフト１４、パワーステアリング装置２０およびリンク機構１５を介して操舵輪１６に機械的に接続される車両１に適用したが、これに限らず、例えば、ステアリングホイール１２と操舵輪１６とが機械的に接続されない車両にも適用可能である。

本開示は、操舵角制御の制御精度を担保することが要求される制御装置を備えた車両に好適に利用される。

１ 車両
１２ ステアリングホイール
１３ ステアリングコラム
１４ ステアリングシャフト
１５ リンク機構
１６ 操舵輪
１７ 第１トーションバー
１８ 第２トーションバー
１９ 車載カメラ
２０ パワーステアリング装置
２２ 電動モータ
２４ 減速機
２４ａ ウォーム
２４ｂ ウォームホイール
２６ 油圧ユニット
３０ 車載センサ
３２，３２ａ トルクセンサ
３４ 舵角センサ
４０ 制御装置
４０Ａ，４０Ｂ ＥＣＵ
４１ 目標操舵角演算部
４２ モータ指令値演算部
４３ ｄｑ軸電流指令値演算部
４４ 電力変換器指令値演算部
４５ ＰＩＤ演算部
４６ 規範操舵トルク算出部
４７ 推定操舵トルク算出部
４８ 補正値算出部
４９ 補正部
５１ 振動制御フィルター
５２ 取得部

Claims (3)

1. ステアリングホイール側に取り付けられた第１トーションバーと、操舵輪側に取り付けられた第２トーションバーと、前記第１トーションバーと前記第２トーションバーとの間に介在し、入力された指令値に基づいて前記ステアリングホイールにモータトルクを付与するモータと、を備えるパワーステアリング装置用の制御装置であって、
   前記ステアリングホイールの操舵角と目標操舵角との偏差に基づいて基準指令値を算出する基準指令値算出部と、
   前記基準指令値から規範操舵トルクを算出する規範操舵トルク算出部と、
   前記第１トーションバーに生じる第１トルクを取得するとともに、前記第２トーションバーに生じる第２トルクを取得する取得部と、
   取得された前記第１トルク及び前記第２トルクに基づいて推定操舵トルクを算出する推定操舵トルク算出部と、
   算出された前記規範操舵トルクと前記推定操舵トルクとの差分に基づいて、補正値を算出する補正値算出部と、
   算出された前記基準指令値を前記補正値で補正する補正部と、
   を備える、制御装置。
2. 前記推定操舵トルク算出部は、減速比に応じて前記モータトルクを増幅させる減速機側とステアリングホイール側との間に配置された前記第１トーションバーに生じる前記第１トルク、および、前記減速機側と前記操舵輪側との間に配置された前記第２トーションバーに生じる前記第２トルクに基づいて前記推定操舵トルクを算出する、
   請求項１に記載の制御装置。
3. 請求項１または２に記載の制御装置と、
   前記制御装置により補正された指令値が入力されるモータを有するパワーステアリング装置と、
   を備える、車両。

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