JP3180704B2 - ステアリング装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ステアリング操舵
角に応じて操舵輪を転舵させるステアリング装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、ステアリング操舵角θ_hに対する
出力角θ_p（あるいは操舵輪転舵角）の比を可変とする
可変ギア比ステアリングシステムが知られている。この
ような従来のシステムでは、出力角目標値θ_p ^〜が（数
１）に従って求められる。偏差ｅ（＝θ_p ^〜−θ_p）が０
となるように制御される。

【０００３】

【数１】θ_p ^〜＝Ｋ_vθ_h ここで、Ｋ_vは可変ギア比を示す係数である。また、本
明細書では、「Ｘ^〜」という表記は「Ｘ」の上に〜を付
した表記と同義であると定義する。Ｘは任意の記号であ
る。

【０００４】操舵輪転舵機構の変位部材がストッパに衝
突する時の衝突速度θ_p ^・は、（数２）に従って求められ
る。ｅ＝０と制御されていることから、ｅ^・＝０＝θ_p
^〜・−θ_p ^・＝Ｋ_vθ_h ^・−θ_p ^・となるからである。

【０００５】

【数２】θ_p ^・＝Ｋ_vθ_h ^・ ここで、記号・は時間による微分を示す。また、本明細
書では、「Ｘ^・」という表記は「Ｘ」の上に・を付した
表記と同義であると定義する。Ｘは任意の記号である。

【０００６】（数２）から、変位部材がストッパに衝突
する時の衝突速度θ_p ^・は、ステアリング操舵角の速度θ
_h ^・のＫ_v倍であることが分かる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来のシ
ステムによれば、変位部材がストッパに衝突する時に大
きなショックが発生する。その結果、運転者が車両操作
に違和感を感じたり、耐久性上不利となるおそれがある
という問題点があった。

【０００８】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたものであり、変位部材がストッパに衝突することを
防止する、あるいは、変位部材がストッパに衝突する時
の衝突速度を緩和するステアリング装置を提供すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のステアリング装
置は、操舵輪転舵角がステアリング操舵角に基づく操舵
輪目標転舵角に近づくように操舵輪を転舵させる手段
と、該操舵輪目標転舵角の絶対値が操舵輪最大転舵角に
等しいかまたは小さくなるように該操舵輪目標転舵角を
制御する手段とを備えており、これにより上記目的が達
成される。

【００１０】本発明の他のステアリング装置は、操舵輪
転舵角がステアリング操舵角に基づく操舵輪目標転舵角
に近づくように操舵輪を転舵させる手段と、操舵輪最大
転舵角の近傍において、操舵輪転舵速度が最大のステア
リング操舵速度に対応する操舵輪転舵速度より小さくな
るように該操舵輪目標転舵角を制御する手段とを備えて
おり、これにより上記目的が達成される。

【００１１】前記ステアリング操舵角に対する前記操舵
輪目標転舵角の比は可変であってもよい。

【００１２】以下、作用を説明する。

【００１３】本発明によれば、操舵輪目標転舵角の絶対
値が操舵輪最大転舵角に等しいかまたは小さくなるよう
に操舵輪目標転舵角が制御される。これにより、変位部
材がストッパに衝突することを防止することができる。

【００１４】また、本発明によれば、操舵輪最大転舵角
の近傍において、操舵輪転舵速度が最大のステアリング
操舵速度に対応する操舵輪転舵速度より小さくなるよう
に操舵輪目標転舵角が制御される。これにより、変位部
材がストッパに衝突する時の衝突速度を緩和することが
できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は、本発明によるステアリン
グ装置１００の構成を示す。

【００１６】ステアリング装置１００は、ステアリング
ホイール１と、入力角センサ２と、可変ギア比アクチュ
エータ３と、出力角センサ４と、操舵輪転舵機構５（ラ
ックアンドピニオン式）と、車速センサ６と、コントロ
ーラ７とを含んでいる。

【００１７】入力角センサ１は、ステアリングホイール
１の回転に応じた入力角（ステアリング操舵角）θ_hを
検出する。入力角センサ１の出力は、コントローラ７に
供給される。

【００１８】可変ギア比アクチュエータ３は、モータ１
２を含んでいる。モータ１２の回転はコントローラ７か
ら出力される制御信号に従って制御される。モータ１２
の回転軸は、操舵輪転舵機構５に接続されている。

【００１９】出力角センサ４は、モータ１２の回転に応
じた出力角（ピニオン軸角）θ_pを検出する。出力角セ
ンサ４の出力は、コントローラ７に供給される。

【００２０】操舵輪転舵機構５は、モータ１２の回転を
操舵輪ＦＷ１、ＦＷ２が接続された軸方向の運動に変換
する。モータ１２の回転に従って、操舵輪転舵機構５の
変位部材が左右にシフトすることにより、操舵輪ＦＷ
１、ＦＷ２が転舵される。変位部材は、ハードウェア的
な要因により、シフト可能な範囲が予め決められてい
る。変位部材がそのシフト可能な範囲の終端に到達する
と、それ以上はシフトできないため衝突が発生する。本
明細書では、このことを「変位部材がストッパに衝突す
る」と表現する。

【００２１】車速センサ６は、車速ｖを検出する。車速
センサ６の出力は、コントローラ７に供給される。

【００２２】コントローラ７は、車速ｖと入力角θ_hと
出力角θ_pとに基づいてモータ１２の制御信号を生成す
る。その制御信号は、モータ１２に供給される。

【００２３】上述した出力角θ_pは、操舵輪ＦＷ１、Ｆ
Ｗ２の転舵角とは異なるものである。しかし、以下の説
明では、出力角θ_pと操舵輪ＦＷ１、ＦＷ２の転舵角と
を同一視することとする。入力角θ_hに基づいて出力角
θ_pを制御することと、入力角θ_hに基づいて操舵輪ＦＷ
１、ＦＷ２の転舵角を制御することとは実質的に同等で
あるからである。例えば、出力角θ_pに対する操舵輪Ｆ
Ｗ１、ＦＷ２の転舵角の比が一定である場合には、出力
角θ_pを制御することと操舵輪ＦＷ１、ＦＷ２の転舵角
を制御することとは同等である。

【００２４】また、出力角センサ４の代わりに、操舵輪
ＦＷ１、ＦＷ２の転舵角を検出するセンサを出力角セン
サとして用いることにより、入力角θ_hに基づいて操舵
輪ＦＷ１、ＦＷ２の転舵角を直接的に制御することがで
きる。入力角θ_hに基づいて操舵輪ＦＷ１、ＦＷ２の転
舵角を直接的に制御することもまた本発明の範囲に含ま
れる。

【００２５】図２は、コントローラ７の構成を示す。

【００２６】コントローラ７は、係数マップ部８と、出
力角目標値再設定部９と、補償器１０と、モータ駆動回
路１１とを含んでいる。

【００２７】図３は、上述した構成を有するコントロー
ラ７によって実行される処理の手順を示す。以下、処理
の手順をステップごとに説明する。

【００２８】ステップＳ１：コントローラ７は、車速セ
ンサ６から出力される車速ｖ 、入力角センサ２から出
力される入力角（ステアリング操舵角）θ_h、出力角セ
ンサ４から出力される出力角θ_pをそれぞれ読み込む。

【００２９】ステップＳ２：係数マップ部８は、係数Ｋ
_vを決定する。例えば、係数Ｋ_vは、車速センサ６から出
力される車速ｖに基づいて決定される。

【００３０】図４は、車速ｖと係数Ｋ_vとの関係を規定
するマップの例である。このようなマップは、係数マッ
プ部８に予め格納されている。このマップの例では、車
速ｖが小さい領域では係数Ｋ_vが大きく、車速ｖが大き
い領域では係数Ｋ_vが小さくなっている。

【００３１】ステップＳ３：出力角目標値θ_p ^〜が設定
される。出力角目標値θ_p ^〜は、係数マップ部８から出
力される係数Ｋ_vに入力角センサ２から出力される入力
角θ_hを乗算することによって得られる。すなわち、θ_p
^〜は、（数３）に従って求められる。

【００３２】

【数３】θ_p ^〜＝Ｋ_vθ_h ここで、Ｋ_vはステアリング操舵角θ_hに対する出力角目
標値θ_p ^〜の比を示す。図４に例示したように、Ｋ_vは可
変である。

【００３３】ステップＳ４：出力角目標値再設定部９
は、出力角目標値θ_p ^〜が出力角最大値θ_pe ^-より小さい
か否かを判定する。ここで、出力角最大値θ_pe ^-（≧
０）は、変位部材がニュートラル位置からエンド位置に
至るまでの転舵角に対応する出力角である。また、本明
細書では、「Ｘ^-」という表記は「Ｘ」の上に−を付し
た表記と同義であると定義する。Ｘは任意の記号であ
る。

【００３４】ステップＳ４の判定結果が「Ｎｏ」である
場合には処理はステップＳ６に進み、ステップＳ４の判
定結果が「Ｙｅｓ」である場合には処理はステップＳ５
に進む。

【００３５】ステップＳ５：出力角目標値再設定部９
は、出力角目標値θ_p ^〜が−θ_pe ^-より大きいか否かを判
定する。

【００３６】ステップＳ５の判定結果が「Ｎｏ」である
場合には処理はステップＳ７に進み、ステップＳ５の判
定結果が「Ｙｅｓ」である場合には処理はステップＳ８
に進む。

【００３７】ステップＳ６：出力角目標値再設定部９
は、出力角目標値θ_p ^〜を（θ_pe ^-＋ε）に再設定する。
すなわち、θ_p ^〜は、（数４）に従って更新される。

【００３８】

【数４】θ_p ^〜＝θ_pe ^-＋ε ここで、εは、０または正の定数である。

【００３９】ステップＳ７：出力角目標値再設定部９
は、出力角目標値θ_p ^〜を−（θ_pe ^-＋ε）に再設定す
る。すなわち、θ_p ^〜は、（数５）に従って更新され
る。

【００４０】

【数５】θ_p ^〜＝−（θ_pe ^-＋ε） ここで、εは、０または正の定数である。

【００４１】ステップＳ８：偏差ｅが計算される。偏差
ｅは、出力角目標値θ_p ^〜から出力角θ_pを減算すること
によって得られる。すなわち、ｅ＝θ_p ^〜−θ_pである。

【００４２】ステップＳ９：補償器１０は、オーバーシ
ュートすることなく偏差ｅを０にするように電流目標値
Ｉ^〜を決定する。このような制御は、例えば、（数６）
に従ってＰＩＤ制御のパラメータを適切にとることによ
り達成される。

【００４３】

【数６】Ｉ^〜＝Ｃ（ｓ）ｅ ここで、ｓはラプラス演算子である。

【００４４】図５は、補償器１０による制御によって、
オーバーシュートすることなく、出力角θ_pが出力角目
標値θ_p ^〜に滑らかに追従する様子を示す。

【００４５】ステップＳ１０：モータ駆動回路１１は、
モータ１２に流れる電流が電流目標値Ｉ^〜に近づくよう
にモータ１２を駆動する。

【００４６】このように、出力角目標値θ_p ^〜の絶対値
が出力角最大値θ_pe ^-に等しいかまたは出力角最大値θ
_pe ^-より大きい場合には、出力角目標値θ_p ^〜がθ_pe ^-＋
ε（あるいは、−（θ_pe ^-＋ε））に再設定される。こ
こで、ε（≧０）は、衝突感を調節するためのパラメー
タである。εの値を大きくするほど、変位部材がストッ
パに衝突した時の衝突速度は増大し、変位部材がストッ
パに衝突した感覚が運転者により大きく伝わることにな
る。

【００４７】また、出力角目標値θ_p ^〜の絶対値が出力
角最大値θ_pe ^-より小さい場合には、出力角目標値θ_p ^〜
は再設定されない。この場合には、変位部材はストッパ
に衝突しない範囲でシフトするからである。

【００４８】図６は、出力角目標値θ_p ^〜が出力角最大
値θ_pe ^-を越える場合の従来の出力角目標値θ_p ^〜の制御
を示す。図５と同様にして、出力角θ_pは出力角目標値
θ_p ^〜に滑らかに追従しようとする。図６から、出力角
θ_pが出力角最大値θ_pe ^-に到達した時（すなわち、変位
部材がストッパに衝突した時）の衝突速度が大きいこと
が分かる。

【００４９】図７は、ε＝０である場合において、出力
角目標値θ_p ^〜が出力角最大値θ_pe ^-を越える場合の本発
明による出力角目標値θ_p ^〜の制御を示す。この場合、
出力角最大値θ_pe ^-の近傍において、出力角θ_pは出力角
最大値θ_pe ^-に滑らかに一致するように制御される。出
力角目標値θ_p ^〜が出力角最大値θ_pe ^-を越える領域で
は、出力角目標値θ_p ^〜は出力角最大値θ_pe ^-に再設定さ
れるからである。これにより、出力角最大値θ_pe ^-の近
傍において、出力角速度θ_p ^・はほとんど０となる。

【００５０】このように、ε＝０と設定することによ
り、出力角目標値θ_p ^〜の絶対値が常に出力角最大値θ
_pe ^-に等しいかまたは小さくなるように、出力角目標値
θ_p ^〜が制御される。

【００５１】図８は、ε＞０である場合において、出力
角目標値θ_p ^〜が出力角最大値θ_pe ^-を越える場合の本発
明による出力角目標値θ_p ^〜の制御を示す。出力角θ_pは
θ_pe ^-＋εに滑らかに追従しようとする。出力角目標値
θ_p ^〜が出力角最大値θ_pe ^-を越える領域では、出力角目
標値θ_p ^〜はθ_pe ^-＋εに再設定されるからである。（θ
_pe ^-＋ε）＜Ｋ_vθ_hを満たすようにεを十分に小さく設
定すれば、出力角θ_pが出力角最大値θ_pe ^-に到達した時
の出力角速度θ_p ^・（すなわち、変位部材がストッパに衝
突した時の衝突速度）は、図６の場合に比べて小さくな
る。

【００５２】このように、０＜ε＜Ｋ_vθ_h−θ_pe ^-と設
定することにより、変位部材がストッパに衝突した時の
衝突速度が従来の出力角目標値θ_p ^〜の制御（図６）に
比べて小さくなるように、出力角目標値θ_p ^〜が制御さ
れる。

【００５３】図９は、εを適切に設定することにより、
出力角θ_pが出力角最大値θ_pe ^-に到達した時の出力角速
度θ_p1 ^・（すなわち、変位部材がストッパに衝突した時
の衝突速度）を、人間がステアリングホイール１を最大
限の速度で回転させた場合、例えば、緊急操舵の際の操
舵速度や実際に可能な限りの速度でステアリングを操舵
した際の操舵速度で回転させた場合（ただし、Ｋ_v＝１
に固定）に得られる衝突速度θ_h ^・以下に緩和できること
を示す。すなわち、従来の出力角目標値θ_p ^〜の制御
（図６）による衝突速度をθ_p0 ^・とするとき、θ_p1 ^・≦θ
_h ^・＜θ_p0 ^・となるようにεを設定することができる。

【００５４】このように、出力角最大値θ_pe ^-の近傍に
おいて、出力角速度が最大のステアリング操舵速度に対
応する出力角速度より小さくなるように、出力角目標値
θ_p ^〜が制御される。

【００５５】図１０は、コントローラ７の他の構成を示
す。図１０に示されるコントローラ７の構成は、係数マ
ップ部８が係数マップ部２５に置き換えられ、出力角目
標値再設定部９が省略されている点を除き、図２に示さ
れるコントローラ７の構成と同一である。同一の構成要
素には同一の参照番号を付し、説明を省略する。

【００５６】係数マップ部２５は、車速ｖと入力角θ_h
とに基づいて、係数Ｋ_vhを決定する。具体的には、係数
マップ部２５は、（数７）に従って係数Ｋ_vhを決定す
る。

【００５７】

【数７】 θ_pe ^-／Ｋ_v≦θ_h ならば、Ｋ_vh＝（θ_pe ^-＋ε）／θ_h −θ_pe ^-／Ｋ_v＜θ_h＜θ_pe ^-／Ｋ_v ならば、Ｋ_vh＝ Ｋ_v θ_h≦−θ_pe ^-／Ｋ_v ならば、Ｋ_vh＝−（θ_pe ^-＋ε）／θ_h 図１１（ａ）および（ｂ）は、ε＝０の場合において
（数７）を実現するためのマップの例を示す。図１１
（ａ）は、車速ｖと係数Ｋ_vとの関係を示し、図１１
（ｂ）は、入力角θ_hと係数Ｋ_vhとの関係を示す。この
ようなマップは、係数マップ部２５に予め格納されてい
る。

【００５８】（数７）に従って係数Ｋ_vhを決定すること
は、図３に示されるステップＳ４〜Ｓ７の処理を予めマ
ップにしておくことと同等である。これにより、出力角
目標値θ_p ^〜を再設定する処理を省略することが可能と
なる。図１０に示される構成を有するコントローラ７で
は、出力角目標値θ_p ^〜は、（数８）に従って求められ
る。

【００５９】

【数８】θ_p ^〜＝Ｋ_vhθ_h 図１２は、補償器１０の構成を示す。補償器１０は、微
分器３１と、微分ゲイン３２と、比例ゲイン３３とを含
んでいる。補償器１０は、電流目標値Ｉ^〜を（数９）に
従って決定する。

【００６０】

【数９】Ｉ^〜＝Ｇ_p・ｅ−Ｇ_d・θ_p ^・ ここで、Ｇ_pは比例ゲインを示し、ｅは出力角目標値θ_p
^〜と出力角θ_pとの偏差を示し、Ｇ_dは微分ゲインを示
し、θ_p ^・は出力角θ_pの時間による微分を示す。

【００６１】補償器１０は、偏差ｅに比例ゲインＧ_pを
乗算することにより、電流目標値Ｉ^〜の基本となる値Ｇ
_p・ｅを生成する。このようにするのは、出力角目標値
θ_p ^〜と出力角θ_pとを精度よく一致させるためである。

【００６２】その基本となる値Ｇ_p・ｅに− Ｇ_d・θ_p ^・
を加算するのは、オーバーシュート発生時にはθ_p ^・が過
大となるからである。これにより、θ_p ^・が過大のとき電
流目標値Ｉ^〜は減少し、モータ発生トルクが減少するた
め、θ_p ^・は小さくなっていく。Ｇ_p、Ｇ_dを適切に調整す
ることにより、オーバーシュートの発生を防止すること
ができる。

【００６３】なお、出力角最大値θ_pe ^-を変位部材がニ
ュートラル位置からエンド位置に至るまでの転舵角に対
応する出力角よりも小さい値に設定してもよい。この場
合、出力角最大値θ_pe ^-は、ソフトウェア的なガードと
して機能する。例えば、ε＝０である場合には、出力角
θ_pは、−θ_pe ^-≦θ_p≦θ_pe ^-の範囲でのみ変動すること
が許されるからである。

【００６４】また、出力角最大値θ_pe ^-を車両が不安定
になる限界の角度に設定することにより、運転者がハン
ドルを切りすぎた場合でも、車両を安定な状態に保つこ
とが可能となる。

【００６５】さらに、出力角最大値θ_pe ^-を、車速、ヨ
ーレート、横加速度、路面μなどのパラメータに応じて
随時変更するようにしてもよい。

【００６６】

【発明の効果】本発明によれば、操舵輪目標転舵角の絶
対値が操舵輪最大転舵角に等しいかまたは小さくなるよ
うに操舵輪目標転舵角が制御される。これにより、変位
部材がストッパに衝突することを防止することができ
る。

【００６７】また、本発明によれば、操舵輪最大転舵角
の近傍において、操舵輪転舵速度が最大のステアリング
操舵速度に対応する操舵輪転舵速度より小さくなるよう
に操舵輪目標転舵角が制御される。これにより、変位部
材がストッパに衝突する時の衝突速度を緩和することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるステアリング装置１００の構成を
示す図である。

【図２】コントローラ７の構成を示す図である。

【図３】コントローラ７によって実行される処理の手順
を示すフローチャートである。

【図４】車速ｖと係数Ｋ_vとの関係を規定するマップを
例示する図である。

【図５】補償器１０による制御によって、オーバーシュ
ートすることなく、出力角θ_pが出力角目標値θ_p ^〜に滑
らかに追従する様子を示す図である。

【図６】従来の出力角目標値θ_p ^〜の制御を示す図であ
る。

【図７】ε＝０である場合における本発明による出力角
目標値θ_p ^〜の制御を示す図である。

【図８】ε＞０である場合における本発明による出力角
目標値θ_p ^〜の制御を示す図である。

【図９】ε＞０である場合における本発明による出力角
目標値θ_p ^〜の制御を示す図である。

【図１０】コントローラ７の他の構成を示す図である。

【図１１】（ａ）は車速ｖと係数Ｋ_vとの関係を規定す
るマップを例示する図であり、（ｂ）は入力角θ_hと係
数Ｋ_vhとの関係を規定するマップを例示する図である。

【図１２】補償器１０の構成を示す図である。

【符号の説明】

１ ステアリングホイール ２ 入力角センサ ３ 可変ギア比アクチュエータ ４ 出力角センサ ５ 操舵輪転舵機構 ６ 車速センサ ７ コントローラ ８ 係数マップ部 ９ 出力角目標値再設定部 １０ 補償器 １１ モータ駆動回路 １２ モータ ２５ 係数マップ部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B62D 5/04 B62D 6/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 操舵輪転舵角がステアリング操舵角に基
   づく操舵輪目標転舵角に近づくように操舵輪を転舵させ
   る手段と、 該操舵輪目標転舵角の絶対値が操舵輪最大転舵角に等し
   いかまたは小さくなるように該操舵輪目標転舵角を制御
   する手段とを備えたステアリング装置。
2. 【請求項２】 操舵輪転舵角がステアリング操舵角に基
   づく操舵輪目標転舵角に近づくように操舵輪を転舵させ
   る手段と、 操舵輪最大転舵角の近傍において、操舵輪転舵速度が最
   大のステアリング操舵速度に対応する操舵輪転舵速度よ
   り小さくなるように該操舵輪目標転舵角を制御する手段
   とを備えたステアリング装置。
3. 【請求項３】 前記ステアリング操舵角に対する前記操
   舵輪目標転舵角の比は可変である、請求項１または請求
   項２のいずれかに記載のステアリング装置。