JP3638182B2 - 操舵装置の電動機制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両の操向車輪を操舵する手動操舵系に補助操舵力を付加する電動機を制御するための操舵装置の電動機制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ステアリングホイールの回転角をタイヤ切れ角に変換する手動操舵系に電動機を設け、電動機の駆動力を操舵系に付加することによって運転者の操舵力を軽減するようにした電動パワーステアリング装置が知られているが、この従来の電動パワーステアリング装置は、積雪路など摩擦係数の低い路面での操舵の際に、路面反力が小さいために補助操舵力が過剰傾向となり、運転者に違和感を与えるという点が問題であった。
【０００３】
このような不都合、つまり滑り易い路面でステアリングホイールを切りすぎてしまう傾向となることを改善するために、本出願人は特願平７−２４５４０８号明細書に於いて、手動操舵系に付加する電動機の出力の制御条件に、路面摩擦係数を含ませるようにした電動機制御装置を提案した。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、上記出願の技術に於いては、操舵系の慣性質量を考慮していないため、エアバッグを装着した慣性質量の大きなステアリングホイールを急速に操舵した際の切り過ぎの抑制効果が不十分であることが判明した。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述の問題点を解決するには、車両の操向車輪に手動にて舵角を与える手動操舵系に補助操舵力を付加するべく、少なくとも手動操舵系に加わる操舵力に基づいて設定された出力目標値によって電動機の出力を制御するようにしてなる操舵装置の電動機制御装置を、ステアリングホイールの操舵角速度に関わりなく適切な操舵反力を手動操舵系に加えることができるように改良する必要がある。そのために本発明に於いては、タイヤと路面間の摩擦係数を検出する路面状態検出手段の出力に基づいて手動操舵系の最大許容操舵角を設定する最大許容操舵角設定手段と、手動操舵系の操舵角を検出する舵角検出手段と、手動操舵系の操舵角速度を検出する操舵角速度検出手段とを設け、最大許容舵角設定手段と舵角検出手段と操舵角速度検出手段との出力に基づいて電動機の出力目標値を補正するものとした。これにより、手動操舵系に与える付加反力を操舵角速度に応じて変化させることができるので、ステアリングホイールを急速に操舵した際の切り過ぎに対する抑止力を十分に発揮することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面を参照して本発明の構成を詳細に説明する。
【０００７】
図１は、本発明が適用される電動パワーステアリング装置を示している。この電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイール１に一体結合されたステアリングシャフト２に自在継手３ａ・３ｂを有する連結軸３を介して連結されたピニオン４、及び、ピニオン４に噛合して車幅方向に往復動し得ると共に、タイロッド５を介して左右の前輪６のナックルアーム７にその両端が連結されたラック軸８で構成されたラック／ピニオン機構からなる手動操舵力発生手段９と、この手動操舵力発生手段９による操舵力を軽減するための補助操舵力を発生するべく、ラック軸８と同軸的に配設され、かつ回転力を軸力に変換するボールねじ機構１０ａを内蔵した電動機１０と、ステアリングホイール１を介してピニオン４に加えられる手動操舵力を検出するための操舵力検出手段１１と、ステアリングホイール１の回転角度を検出するための舵角検出手段１２と、これらからの検出値Ｔｐ・θｓに基づいて電動機１０の出力を制御するための制御装置１３とからなっている。
【０００８】
制御装置１３は、大別して補助操舵力制御系と過剰操舵抑制制御系との二つに分けられ、図２に示すように、補助操舵力制御系は、操舵力検出手段１１の出力Ｔｐに基づいて電動機１０に発生させるべき出力トルクを設定する出力目標値設定手段２１と、これによって生成される出力目標値に基づいて電動機１０の出力を制御する電動機出力制御手段２２と、電動機１０に流れる電流を検出してフィードバックする電動機電流検出手段２３とからなっている。また過剰操舵抑制制御系は、路面とタイヤ間の摩擦係数μを検出する路面状態検出手段２４と、路面状態検出手段２４および舵角検出手段１２の出力μ・θｓに基づいてステアリングホイール１に加えるべき付加反力を設定する付加反力設定手段２５とからなっている。
【０００９】
ここで路面状態検出手段２４による路面摩擦係数μの推定方法について説明しておく。先ず、タイヤのコーナリングパワーＣｐは、ＦＩＡＬＡの式（第２項まで）から、以下のように表される。
Ｃｐ＝Ｋ（１−０．０１６６Ｋ／μＬ）
但し、Ｋ：コーナリングスティフネス
μ：路面摩擦係数
Ｌ：接地荷重
【００１０】
即ち、路面摩擦係数μが低いほどタイヤのコーナリングパワーＣｐが減少する（図３参照）ので、ラック／ピニオン式の操舵装置の場合、同一舵角での路面から受けるラック軸反力は、路面摩擦係数μの低下に応じて小さくなる。従って、操舵角並びにラック軸反力を実測し、操舵角に対する実ラック軸反力と、予め内部モデルとして設定された基準ラック軸反力とを比較すれば、路面摩擦係数μを推定することができる。
【００１１】
実ラック軸反力Ｆｒｃ、即ち路面反力は、操舵トルクＴｓ、電動機電圧Ｖｍ、及び電動機電流Ｉｍから、以下のようにして推定することができる。
【００１２】
先ず、電動パワーステアリング装置に於ける補助操舵力発生用電動機の出力軸トルクＴｍは次式で与えられる。
Ｔｍ＝Ｋｔ・Ｉｍ
−Ｊｍ・θｍ”−Ｃｍ・θｍ’±Ｔｆ
但し、Ｋｔ：電動機トルク定数
Ｉｍ：電動機電流
Ｊｍ：電動機の回転部分の慣性モーメント
θｍ’：電動機角速度
θｍ”：電動機角加速度
Ｃｍ：電動機粘性係数
Ｔｆ：フリクショントルク
【００１３】
ステアリングシャフト回りの粘性項、慣性項、フリクション項および電動機回りのフリクション項は微小なので省略すると、ラック軸上の力の釣り合いは、近似的に次式で表される。
Ｆｒ＝Ｆｓ＋Ｆｍ
＝Ｔｓ／ｒｐ
＋Ｎ（Ｋｔ・Ｉｍ−Ｊｍ・θｍ”−Ｃｍ・θｍ’）
但し、Ｆｒ：路面からのラック軸反力
Ｆｓ：ピニオンからのラック軸力
Ｆｍ：電動機からのラック軸力
Ｔｓ：ステアリングシャフトに加わる操舵トルク検出値
ｒｐ：ピニオン半径
Ｎ：電動機出力ギヤ比
【００１４】
なお、電動機角速度θｍ’は、ステアリングホイール舵角θｓを微分するか、あるいは電動機逆起電力から次式により求める。
θｍ’＝（Ｖｍ−Ｉｍ・Ｒｍ）／Ｋｍ
但し、Ｖｍ：電動機電圧
Ｒｍ：電動機抵抗
Ｋｍ：電動機の誘導電圧定数
【００１５】
ここで電動機角速度θｍ’とステアリングホイール角速度θｓ’とは、厳密に言うと異なるものであり、電動機角速度θｍ’は、ステアリングホイール操舵角θｓを微分して得たステアリングホイール角速度θｓ’を基にして、次式から求められる。
θｍ’＝θｓ’−Ｔｓ’／Ｋｓ
但し、Ｋｓ：トルクセンサのばね定数
Ｔｓ’：操舵トルクの微分値
【００１６】
また、電動機角加速度θｍ”は、電動機角速度θｍ’を微分することにより得られる。
【００１７】
次に、実ラック軸反力Ｆｒｃの比較基準となる内部モデルは、以下のようにして設定する。
【００１８】
図４に示すように、ステアリングホイール１から入力された操舵角θｓは、ピニオン４との伝達比Ｎを介してラック軸８のストローク量に変換される。このラック軸８のストローク量に応じて前輪横滑り角φｓが生ずる。ここでラック軸８のストローク量に対する前輪横滑り角φｓの伝達関数Ｇβ（ｓ）は、路面摩擦係数μの変化に伴うスタビリティファクタの変化によって変化する。
【００１９】
前輪横滑り角φｓにコーナリングパワーＣｐとトレールξ（キャスタトレール＋ニューマチックトレール）とをかけることにより、キングピン回りのモーメントが得られる。ここでコーナリングパワーＣｐ及びニューマチックトレールは、路面摩擦係数μおよび接地荷重Ｌによって変化する。
【００２０】
キングピン回りのモーメントを、タイヤ回転中心とラック軸中心間距離、即ちナックルアーム長ｒｋで割ることで、モデルラック軸反力Ｆｒｍが得られる。
【００２１】
以上から、ステアリングホイール操舵角θｓに対するモデルラック軸反力Ｆｒｍの応答は、各諸元に基づく計算結果、或いは実車計測値からの同定結果から導き出した１つの伝達関数Ｇｆ（ｓ）をもって置換可能であることが分かる。
【００２２】
上記のようにして求めた実ラック軸反力値Ｆｒｃおよびモデルラック軸反力値Ｆｒｍから、ステアリングホイール操舵角θｓの増加に対する実並びにモデルラック軸反力の増加率を求め（図５参照）、車両の応答が線形に近似した舵角範囲内に於いて、実ラック軸反力増加率ΔＦｒｃ／Δθｓと、モデルラック軸反力増加率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を参照して路面摩擦係数μを推定することができる（図６参照）。
【００２３】
なお、ラック軸８の反力は、ナックルアーム７〜タイロッド５〜ラック軸８の適所にロードセルなどの力検出器を設け、これにより直接的に検出することもできる。
【００２４】
次に本発明装置の作動要領について図７を併せて参照して説明する。
【００２５】
先ず上述した路面状態検出手段２４によって路面摩擦係数μを検出し、予め定められた路面摩擦係数μと最大許容操舵角θｍａｘとの関係マップ３１からその時の路面摩擦係数μに対応する最大許容操舵角θｍａｘを求める。次いでこの値と実操舵角θｓとの比を演算器３２で求め、これに対する付加反力Ｃの関係を、操舵角検出手段１２の出力θｓを微分器３３を通すことで得た操舵角速度θｓ’を加味して定めた付加反力マップ３４から付加反力Ｃを読み出す。これを補助操舵力制御系の出力目標値設定手段２１が生成した出力目標値から減算する。このようにして、ステアリングホイール１に加わる補助操舵力を運転者は操舵抵抗として感知し、それ以上の切り増しを停止するので、滑り易い路面上での安定走行が確保できる。
【００２６】
操舵角速度θｓ’が高い急速な操舵の場合は、操舵系の慣性力による操舵エネルギが大きくなるため、一定の付加反力のみであると切り過ぎを十分に抑制できなくなる場合があり得る。そこで本発明に於いては、θ／θｍａｘに対する付加反力Ｃの関係値を、操舵角速度θｓ’に応じて変化するようにした。従って、操舵角速度θｓ’が高くなるほど付加反力Ｃの増大率が高まってステアリングホイール１に加わる操舵抵抗が大きくなるので、操舵の緩急に関わりなく適切な操舵反力をステアリングホイール１に与えることができることとなり、いかなる状態でも走行安定性が損なわれずに済む。
【００２７】
【発明の効果】
このように本発明によれば、路面状態および操舵の緩急に応じて電動操舵装置の操舵補助力が調節されるので、いかなる運転状況に於いてもステアリングホイールに適切な操舵反力を与えることができる。従って、ステアリングホイールの操舵角速度に関わりなく、過度な操舵に対して警告を与え、かつ抑止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される操舵装置の概略構成図。
【図２】本発明による電動機制御装置のブロック図。
【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】内部モデルの設定に関わるフロー図。
【図５】舵角量に対する車両状態量の増加線図。
【図６】路面摩擦係数の判定マップ。
【図７】付加反力設定手段のブロック図。
【符号の説明】
１ ステアリングホイール
２ ステアリングシャフト
３ 連結軸
４ ピニオン
５ タイロッド
６ 前輪
７ ナックルアーム
８ ラック軸
９ 手動操舵力発生手段
１０ 電動機
１１ 操舵力検出手段
１２ 舵角検出手段
１３ 制御装置
２１ 出力目標値設定手段
２２ 電動機出力制御手段
２３ 電動機電流検出手段
２４ 路面状態検出手段
２５ 付加反力設定手段
３１ 許容最大操舵角設定マップ
３２ 演算器
３３ 微分器
３４ 付加反力マップ

Claims (1)

1. 車両の操向車輪に手動にて舵角を与える手動操舵系に補助操舵力を付加する電動機を、少なくとも前記手動操舵系に加わる操舵力に基づいて設定された出力目標値によって制御する操舵装置の電動機制御装置であって、
   タイヤと路面間の摩擦係数を検出する路面状態検出手段の出力に基づいて前記手動操舵系の最大許容操舵角を設定する最大許容操舵角設定手段と、前記手動操舵系の操舵角を検出する舵角検出手段と、前記手動操舵系の操舵角速度を検出する操舵角速度検出手段とを有し、
   前記最大許容操舵角設定手段と前記舵角検出手段と前記操舵角速度検出手段との出力に基づいて前記出力目標値を補正するようにしてなることを特徴とする操舵装置の電動機制御装置。

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