JP3621229B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、操向車輪に舵角を与える操舵系に対し、操舵力を軽減する操舵補助力と、操舵力に対抗する操舵抵抗力とを共に与えることができるように構成された電動パワーステアリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
積雪路など、タイヤと路面間の摩擦係数が極めて低い状態の路面では、路面からの操舵抵抗（セルフアライニングトルク）が小さくなるため、場合によっては不用意に切りすぎないように微妙な操舵が必要となり、運転者に大きな負担を与えるという問題があった。
【０００３】
このような不都合を改善するために、車速、操舵角、および路面摩擦係数に応じた擬似的な操舵抵抗力を設定し、これによって通常のパワーステアリング装置の操舵補助力を補正するようにした操舵装置を、特願平７−３３７７７０号明細書において本出願人は提案している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、擬似操舵抵抗力をモータに発生させてステアリングホイールを重くすると、この操舵抵抗力を路面からの反力と運転者が誤認し、グリップ力が失われているのにステアリングホイールを無意味に操舵することが考えられる。
【０００５】
本発明は、このような問題点を解消し、操向車輪の横方向グリップ力（コーナリングフォース）が限界に達したことを運転者に認識させることができるように改良された電動パワーステアリング装置を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的を果たすために本発明は、電動パワーステアリング装置が発生する操舵抵抗力を、操向車輪が現在発生している横方向グリップ力に対応する値がタイヤの能力限界に近づくに連れて大きくし、横方向グリップ力対応値がタイヤの能力限界を超えた後は小さくするものとした。
これによれば、例えば実コーナリングフォースが摩擦円の範囲内の領域では、操舵抵抗力が加わるのでステアリングホイールの切りすぎが抑制され、かつタイヤがグリップしていることを運転者が認識できる。そして実コーナリングフォースが摩擦円を超えると急に操舵抵抗力が低下してステアリングホイールが軽くなるので、タイヤの横方向グリップ力が失われたことを運転者が認識できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面に示された実施例を参照して本発明の構成について詳細に説明する。
【０００８】
図１及び図２は、本発明に基づく電動パワーステアリング装置の操舵力制御装置の全体構成を示している。本制御装置は、ラック／ピニオン式操舵装置２１のラック軸２２に作用する軸力Ｆｒを算出するラック軸力演算手段１と、路面摩擦係数μを算出する路面摩擦係数演算手段２と、路面摩擦係数μに基づいて等価摩擦円を設定する等価摩擦円設定手段３と、操向車輪（前輪）２３の実横力Ｆｙを算出する横力演算手段４と、例えば車速と吸気管負圧との関係から求めた駆動力、並びにブレーキ液圧から求めた制動力に基づいて前輪２３の実前後力Ｆｘを算出する前後力演算手段５と、等価摩擦円データ、前輪実横力Ｆｙ、および前輪実前後力Ｆｘから、現在の横力利用率ξを算出する横力利用率演算手段６と、横力利用率ξに応じた操舵抵抗トルク指令値Ｔｃを設定するための操舵抵抗トルク設定手段７と、非駆動輪（後輪）２４の回転速度センサ２５の出力で得た車速Ｖ並びに操舵トルクセンサ２６の出力で得たステアリングホイール２７を介してステアリングシャフト２８に作用する手動操舵トルクＴｓに基づいて操舵補助トルク指令値Ｔａを設定する操舵補助トルク設定手段８と、操舵抵抗トルク指令値Ｔｃおよび操舵補助トルク指令値Ｔａに基づいてモータＭの出力を制御するモータ駆動制御手段９とからなっており、操舵補助トルク指令値Ｔａに操舵抵抗トルク指令値Ｔｃを加算した値Ｔｍをもって、通常のパワーステアリング装置のモータＭの出力制御を行うようになっている。
なお、各信号の処理や演算は、コンピュータを用いた電子制御装置（ＥＣＵ）２９で一括して行われる。
【０００９】
タイヤのコーナリングパワーＣｐは、図３に示すように、路面摩擦係数μが低いほど減少するので、ラック／ピニオン式操舵装置の場合、同一舵角でのラック軸力Ｆｒは、路面摩擦係数μの低下に応じて小さくなる。従って路面摩擦係数μは、前輪舵角δに対する実ラック軸力Ｆｒｃと、車両の設計値や実験による計測値の同定結果に基づいて内部モデルとして予め設定された基準ラック軸力Ｆｒｍとを比較すれば推定できる。
【００１０】
路面からの転舵抵抗につり合うラック軸力Ｆｒは、ステアリングシャフト２８回りの粘性項、慣性項、フリクション項およびモータＭ回りのフリクション項は微小なので省略すると、ピニオンからのラック軸力Ｆｐとモータからのラック軸力Ｆｍとの和、つまり、
Ｆｒ＝Ｆｐ＋Ｆｍ
で表されるが、以下に図４を参照してこの推定方法について説明する。
【００１１】
先ず、ピニオンからのラック軸力Ｆｐは、操舵トルクＴｓをピニオンのピッチ円半径ｒｐで割った値、つまり、
Ｆｐ＝Ｔｓ／ｒｐ
で表されるので、ピニオン軸力演算手段１０に操舵トルクセンサ２６の出力Ｔｓを入力して得る。
【００１２】
次にモータＭからのラック軸力Ｆｍは、モータＭの出力軸トルクＴｍにモータ出力ギヤ比Ｎをかけた値、つまり、
Ｆｍ＝Ｎ・Ｔｍ
で表されるので、モータの電流Ｉｍを検出する電流センサ３０、並びに電圧Ｖｍを検出する電圧センサ３１の出力をモータ軸力演算手段１１に入力して得る。
【００１３】
ここでモータの出力軸トルクＴｍは次式で与えられる。
Ｔｍ＝Ｋｔ・Ｉｍ−Ｊｍ・θｍ”−Ｃｍ・θｍ’±Ｔｆ
但し、Ｋｔ：モータトルク定数
Ｉｍ：モータ電流（電流センサ３０の出力）
Ｊｍ：モータの回転部分の慣性モーメント（設計値・定数）
θｍ’：モータ角速度
θｍ”：モータ角加速度（モータ角速度θｍ’の微分値）
Ｃｍ：モータ粘性係数
Ｔｆ：フリクショントルク
【００１４】
なお、モータ角速度θｍ’は、モータ逆起電力から次式により求める。
θｍ’＝（Ｖｍ−Ｉｍ・Ｒｍ）／Ｋｍ
但し、Ｖｍ：モータ電圧（電圧センサ３１の出力）
Ｒｍ：モータ抵抗（設計値・定数）
Ｋｍ：モータの誘導電圧定数
【００１５】
または、ステアリングシャフト２８の回転角度を検出する操舵角センサ３２の出力θｓの微分値θｓ’から次式により求める。
θｍ’＝（θｓ’−Ｔｓ’／Ｋｓ）Ｎ
但し、Ｋｓ：トルクセンサ２６のばね定数
Ｔｓ’：操舵トルクの微分値
【００１６】
以上により求めたピニオンからのラック軸力Ｆｐとモータからのラック軸力Ｆｍとは、実用上は位相補償フィルタ１２を通すことにより、Ｆｐ・Ｆｍ間の位相ずれを補正すると良い。
【００１７】
上記のようにして求めた実ラック軸力値Ｆｒｃと予め設定されたモデルラック軸力値Ｆｒｍとから、ステアリングホイール舵角θｓの増加に対する実並びにモデルラック軸力の増加率を求め（図５参照）、車両の応答が線形に近似した舵角範囲内において、実ラック軸力増加率ΔＦｒｃ／Δθｓと、モデルラック軸力増加率ΔＦｒｍ／Δθｓとの比ΔＦｒｃ／ΔＦｒｍから、予め設定された路面摩擦係数判定マップ（図６参照）を参照して路面摩擦係数μを推定することができる。
【００１８】
タイヤの最大グリップ力Ｆｍａｘは、タイヤと路面との間の摩擦係数μとタイヤの接地面に加わる垂直荷重Ｗとの積（Ｆｍａｘ＝μＷ）で与えられる。従って、路面摩擦係数μが分かれば、タイヤの特性に基づいて予め設定しておいた摩擦円基本形状と、横加速度値で補正された旋回時の輪重値とに基づいて、摩擦円の大きさが設定できる。この摩擦円上に前後力Ｆｘを置けば、その時の最大横力Ｆｙｍａｘが得られる。
【００１９】
次に図７、８を参照して前輪２３の接地点に加わる実横力Ｆｙの推定方法について説明する。先ず、実ラック軸力Ｆｒｃと実横力Ｆｙとのつり合いは、次式で与えられる。
Ｆｒｃ・Ｌａ＝Ｆｙ・Ｔ・ｃｏｓδ
すなわち、
Ｆｙ＝Ｆｒｃ・Ｌａ／Ｔ・ｃｏｓδ
但し、Ｌａ：ラック軸２２とキングピン軸３３との軸心間距離（設計値・定数）
Ｔ：トレール
δ：前輪舵角（舵角センサ３４の出力）
【００２０】
ここでトレールＴは、ホイールアライメントの機械的な設定で定まるキャスタートレールＴｃに、車速Ｖに応じて変化するニューマチックトレールＴｐ成分を加えた値であり、予め設定したマップ１３をＥＣＵ２９のメモリーに格納しておき、車速Ｖに基づいて検索する。
【００２１】
このようにして求めた実横力Ｆｙと上記の摩擦円から求めた最大横力Ｆｙｍａｘとから、横力利用率演算手段６で次式から前輪の横力利用率ξを算出する。
ξ＝Ｆｙ／Ｆｙｍａｘ
【００２２】
次いで、操舵抵抗トルク設定手段７に予め設定されたマップを参照し、横力利用率ξに対応した操舵抵抗トルクＴｃを求める。このマップは、横力利用率ξが１までは横力利用率ξと共に増大し、横力利用率ξが１を超えると急激に減少する特性が与えられている。
【００２３】
このようにして決定された操舵抵抗トルク指令値Ｔｃを、操舵補助トルク設定手段８に予め設定されたマップを車速Ｖと手動操舵トルクＴｓとに基づいて検索して得られる通常のパワーステアリング装置の補助操舵トルク指令値Ｔａに加算することによって得られた制御指令値ＴｍでモータＭを制御することにより、路面状況に応じてコーナリングフォースが限界に至る以前（横力利用率ξが１以下）の領域は、ステアリングホイールを重くするなどして運転者が不用意に過大な舵角で転舵することを防止し得る最適な補助操舵トルクが発生するようにモータＭが駆動される。そしてコーナリングフォースが限界を超えると（横力利用率ξが１以上）操舵抵抗トルクＴｃを減じることにより、いわゆる「抜け感」を擬似的に与え、タイヤのコーナリングフォースが限界に達したことを運転者に認識させることができる。
【００２４】
なお、実ラック軸力Ｆｒｃ並びに実横力Ｆｙは、上記の計算によらずに操舵系の適所にロードセルを設け、その出力から求めるようにしても良い。また路面μに対する旋回性の限界の指標としてコーナリングフォースを用いる例を述べたが、これは横加速度値や前輪横滑り角によっても判断できる。
【００２５】
【発明の効果】
このように本発明によれば、タイヤのコーナリングフォースがタイヤの摩擦円内に止まる範囲は、運転者の操舵力に対する抵抗付与制御が行えるので、路面状況に応じた最適な操舵力制御を実行して、操縦安定性を高め、運転者の負担を軽減する上に多大な効果を奏することができる。そしてタイヤのコーナリングフォースが限界を超えた時点で操舵抵抗力を減じることによっていわゆる「抜け感」を擬似的に与え、タイヤのグリップ力不足を運転者に認識させることができるので、運転者の誤認による無意味な操舵を防止し得る。なお、タイヤがグリップ力を失っている状態では、抜けによる転舵角の増大は車両挙動自体に大きな影響を及ぼさない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるパワーステアリング装置の制御系の概略構成図。
【図２】本発明が適用された車両のパワーステアリング装置に関わる機器の配置図。
【図３】コーナリングパワーと路面摩擦係数との関係線図。
【図４】ラック軸力演算手段のブロック図。
【図５】舵角に対するラック軸力の増加線図。
【図６】路面摩擦係数の判定マップ。
【図７】横力演算手段のブロック図。
【図８】横力演算に関わる説明図。
【符号の説明】
１ ラック軸力演算手段
２ 路面摩擦係数演算手段
３ 等価摩擦円設定手段
４ 横力演算手段
５ 前後力演算手段
６ 横力利用率演算手段
７ 操舵抵抗トルク設定手段
８ 操舵補助トルク設定手段
９ モータ駆動制御手段
１０ ピニオン軸力演算手段
１１ モータ軸力演算手段
１２ 位相補償フィルタ
１３ トレールマップ
２１ ラック／ピニオン式操舵装置
２２ ラック軸
２３ 前輪
２４ 後輪
２５ 回転速度センサ
２６ 操舵トルクセンサ
２７ ステアリングホイール
２８ ステアリングシャフト
２９ 電子制御装置（ＥＣＵ）
３０ 電流センサ
３１ 電圧センサ
３２ 操舵角センサ
３３ キングピン軸
３４ 舵角センサ

Claims (1)

1. 操向車輪に舵角を与える操舵系に動力を付加するモータと、前記操舵系に作用する手動操舵力を検出する操舵力検出手段と、少なくとも前記操舵力検出手段の出力に基づいて操舵補助力と操舵抵抗力とを前記モータに発生させるための制御手段とを有する電動パワーステアリング装置であって、
   前記制御手段は、前記操向車輪が現在発生している横方向グリップ力に対応する値を算出する演算手段を備え、該横方向グリップ力対応値がタイヤの能力限界に近づくに連れて前記操舵抵抗力を増大させ、該横方向グリップ力対応値がタイヤの能力限界を超えた後は前記操舵抵抗力を減少させるように制御するものであることを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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