JP3640508B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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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。特に、パワーステアリング装置を具備する場合、このパワーステアリング装置が、路面からの反力に対して、これを打ち消す方向にアシスト力を発生させ、操舵時の負荷を軽減するものであるため、上記したような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る。
【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、例えば特願平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】
しかしながら、従来の技術では車両の定常走行時の特性に応じて擬似的な操舵抵抗力の算出を行っているため、過渡的な操舵入力時、特に比較的操舵入力速度の速い（ステアリングホイールの角速度が高い）場合には、上記従来技術では適切な操舵抵抗力を付加することができず、操舵抵抗力による切り過ぎ抑制効果が十分に発揮できない場合があった。
【０００５】
一般的に、通常の操舵周波数領域に於ては、操舵角の入力に対して、車両の応答特性は一次遅れ、操舵力特性は一次進みにそれぞれ近似することができる。ここで、上記したように運転者の操舵入力速度が速い場合には、遅い場合に比べて車両の応答が遅れてくるため、必要な応答ゲインを得るために入力舵角を大きくしてしまいがちである。そのため、最終的に定常状態になった場合のゲインが過大になってしまう。特にタイヤのグリップ力の限界に近い領域に於ては、結果的にこの限界を超えてしまうことになる。
【０００６】
従って、操舵入力速度が速い場合には、それだけ速いタイミングで操舵付加反力を立ち上げなければ、タイヤのグリップ力の限界を超える操舵入力を効果的に抑制することができない。
【０００７】
操舵角入力に対する車両の応答は、以下のように表される。
【０００８】
【数１】
Ｇθ γ(0)：ヨーレートゲイン定数
Ｇθ β(0)：横すべり角ゲイン定数
Ｇθ Th(0)：操舵トルクゲイン定数
Ｔγ：ヨーレート時定数
Ｔβ：横すべり角時定数
Ｔｓ：操舵トルク時定数
θ：操舵角
γ：ヨーレート
β：横すべり角
Ｔｈ：操舵トルク
ｓ：ラプラス演算子
【０００９】
上記したように操舵入力速度が速い場合には、入力舵角に対する操舵付加反力の進み時定数を増加させることが効果的である。この進み時定数を増加させるための手段として、操舵入力速度に応じた反力成分、即ちダンピング成分を操舵反力に付加することが考えられる。
【００１０】
ところで、横方向グリップ力の使用率が減少する方向、即ち転舵方向に対して切り戻す操舵を行う場合には、横方向グリップ力の使用率が増加する方向、即ち転舵方向に対して切り増す操舵を行う場合と同じダンピング成分を操舵反力に付加すると、ステアリングの戻りが遅くなり、操舵フィーリングの悪化を招くことになる。また、横方向グリップ力の使用率が小さい領域では、通常の操舵力特性よりもダンピング成分を増加した操舵反力を発生させることは、操舵フィーリングの悪化を招く虞がある。
【００１１】
本発明は、上記した従来技術の問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、簡単な構造及び制御により、タイヤと路面との間の摩擦係数が低い状態でも不用意にステアリングを切り過ぎないような操舵を促すことが可能であり、かつ通常走行時の操舵フィーリングも悪化することのないパワーステアリング装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記した目的は、本発明によれば、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前記手動操舵力に対抗する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、操舵入力速度を検出する手段と、転舵方向に対して入力操舵方向が切り増しているか切り戻しているかを判断する手段とを有し、前記制御手段は、入力操舵速度の増大に応じて前記操舵抵抗力を増大させるようになっていると共に前記切り増し方向への操舵時に比較して前記切り戻し方向への操舵時の前記操舵抵抗力を小さくするようになっていることを特徴とする電動パワーステアリング装置を提供することにより達成される。特に、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更に備え、前記制御手段は、前記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大きくするようになっていると良い。
【００１３】
【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。
【００１４】
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、車速及び前後方向加速度に基づいて最大舵角を設定する最大舵角設定手段３と、操向車輪（前輪）２３の実横方向グリップ力（以下、実横力と記す）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、最大舵角データ、前輪実横力Ｆｙ、および前輪実前後力Ｆｘから、現在の横方向グリップ力利用率（以下、実横力利用率と記す）ξを算出する横力利用率演算手段６と、車速及び横力利用率ξに応じて、操舵抵抗トルク指令値（操舵反力）Ｔｃのうちの操舵角成分反力指令値Ｔｃａを設定するための舵角成分反力指令値設定手段７と、後記する手順で転舵方向に対して入力操舵方向が切り増しているか切り戻しているかを判断する操舵方向判別手段８と、車速、操舵角速度及び操舵方向の判別結果に応じて操舵抵抗トルク指令値（操舵反力）Ｔｃのうちの操舵角速度成分反力指令値Ｔｃｂを設定するための舵角成分反力指令値設定手段９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１０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、操舵角成分反力指令値Ｔｃａと操舵角速度成分反力指令値Ｔｃｂとを加算してなる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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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、
【００１８】
【数２】
Ｆｒ＝Ｆｐ＋Ｆｍ
【００１９】
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。
【００２０】
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、
【００２１】
【数３】
Ｆｐ＝Ｔｓ／ｒｐ
【００２２】
で表されるので、ピニオン軸力演算手段１２に操舵トルクセンサ２６の出力Ｔｓを入力して得る。
【００２３】
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、
【００２４】
【数４】
Ｆｍ＝Ｎ・Ｔｍ
【００２５】
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１３に入力して得る。
【００２６】
ここでモータの出力軸トルクＴｍは次式で与えられる。
【００２７】
【数５】
Ｔｍ＝Ｋｔ・Ｉｍ−Ｊｍ・θｍ”−Ｃｍ・θｍ’±Ｔｆ
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
【００２８】
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。
【００２９】
【数６】
θｍ’＝（Ｖｍ−Ｉｍ・Ｒｍ）／Ｋｍ
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
【００３０】
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。
【００３１】
【数７】
θｍ’＝（θｓ’−Ｔｓ’／Ｋｓ）Ｎ
Ｋｓ：トルクセンサ２６のばね定数
ｓ’：操舵トルクの微分値
【００３２】
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１４を通すことにより、Ｆｐ・Ｆｍ間の位相ずれを補正すると良い。
【００３３】
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。
【００３４】
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、最大操舵角が設定できる。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。
【００３５】
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。
【００３６】
【数８】
Ｆｒｃ・Ｌａ＝Ｆｙ・Ｔ・ｃｏｓδ
すなわち、
【００３７】
【数９】
Ｆｙ＝Ｆｒｃ・Ｌａ／Ｔ・ｃｏｓδ
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）
【００３８】
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のメモリに格納しておき、車速Ｖに基づいて検索する。
【００３９】
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。
【００４０】
【数１０】
ξ＝Ｆｙ／Ｆｙｍａｘ
【００４１】
次いで、操舵角成分反力指令値設定手段７にて予め設定されたマップを参照し、横力利用率ξに対応した操舵角成分反力指令値Ｔｃａ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と共に増大する特性が与えられている。
【００４２】
尚、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。
【００４３】
一方、操舵方向判別手段８による操舵方向の判別は、操舵角θの絶対値の増減により以下の式から行われる。
【００４４】
【数１１】
ａｂｓ（θh0）−ａｂｓ（θh1）＞０：切り増し時
ａｂｓ（θh0）−ａｂｓ（θh1）＜０：切り戻し時
θh0：操舵角サンプリング今回値
θh1：操舵角サンプリング前回値
【００４５】
また、車両の状態を考慮して操舵抵抗力を設定する場合には、車両状態量、例えば、車両のヨーレートγの絶対値の増減により判別できる。
【００４６】
【数１２】
ａｂｓ（γ0）−ａｂｓ（γ1）＞０：切り増し時
ａｂｓ（γ0）−ａｂｓ（γ1）＜０：切り戻し時
γ0：操舵角サンプリング今回値
γ1：操舵角サンプリング前回値
【００４７】
上記のように求められた操舵方向の判別値Ｄ（例えば切り増し時を０、切り戻し時を１）に応じて、操舵角速度成分反力指令値設定手段９にて操舵角速度成分反力指令値Ｔｃｂが求められる。詳細には、図９に示すように、切り増し時には、操舵角速度ωに対して、係数（Ｋd1）を掛け合わせ、更に予め設定されたレシオマップより、上記横力使用率算出手段６により算出された横力使用率に応じてレシオを算出し、この値を更に上記算出値Ｋd1（ω）に掛け合わせて、操舵角速度成分反力指令値Ｔｃｂが求められる。また、切り戻し時には操舵角速度ωに対して、係数（Ｋd2＜Ｋd1）を掛け合わせ、更に予め設定されたレシオマップより、上記横力使用率算出手段６により算出された横力使用率に応じてレシオを算出し、この値を更に上記算出値Ｋd2（ω）値に掛け合わせて、操舵角速度成分反力指令値Ｔｃｂが求められる。
【００４８】
尚、切り戻し時に於ては、切り過ぎ抑制効果は必要なく、また、切り増し時と同等のダンピングを与える必要がないことから、操舵フィーリングを向上するべくその係数Ｋd2は切り増し時の係数Ｋd1よりも小さく設定されている。
【００４９】
これにより求められた操舵角速度成分反力指令値Ｔｃｂを上記操舵角成分反力指令値Ｔｃａに加えて操舵抵抗トルク指令値Ｔｃを得、操舵補助トルク指令値Ｔａに操舵抵抗トルク指令値Ｔ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。
【００５０】
尚、上記構成では操舵角成分反力指令値Ｔｃａを横方向グリップ力の使用率から求めたが、これに限定されず、例えばヨーレートから求めても良い。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、入力された操舵速度に応じて、操舵付加反力を変化させることにより、操舵入力速度が速い場合にも、操舵入力速度の増大に応じて、車両の応答遅れを考慮した操舵抵抗力を発生させることができ、切り過ぎ抑制効果を向上することが可能となるばかりでなく、切り増し時に比較して切り戻し時の操舵抵抗力を小さくして切り戻し時の操舵力を軽減することで、操舵フィーリングの向上を図ることができる。特に横方向グリップ力の使用率が減少する転舵方向から切り戻す操舵を行う場合には、横方向グリップ力の使用率が増加する転舵方向へ切り増す操舵を行う場合よりも操舵反力に付加する上記入力操舵速度に応じた操舵抵抗力（ダンピング成分）を減少させることにより、ステアリングの戻りをむしろ促進し、操舵フィーリングをより一層向上することができる。
【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。
【図９】操舵角速度成分反力指令値設定手段のブロック図。
【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 操舵角成分反力指令値設定手段
８ 操舵方向判別手段
９ 操舵角速度成分反力指令値設定手段
１０ 操舵補助トルク設定手段
１１ モータ駆動制御手段
１２ ピニオン軸力演算手段
１３ モータ軸力演算手段
１４ 位相補償フィルタ
１５ 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
【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。特に、パワーステアリング装置を具備する場合、このパワーステアリング装置が、路面からの反力に対して、これを打ち消す方向にアシスト力を発生させ、操舵時の負荷を軽減するものであるため、上記したような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る。
【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、例えば特願平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】
しかしながら、従来の技術では車両の定常走行時の特性に応じて擬似的な操舵抵抗力の算出を行っているため、過渡的な操舵入力時、特に比較的操舵入力速度の速い（ステアリングホイールの角速度が高い）場合には、上記従来技術では適切な操舵抵抗力を付加することができず、操舵抵抗力による切り過ぎ抑制効果が十分に発揮できない場合があった。
【０００５】
一般的に、通常の操舵周波数領域に於ては、操舵角の入力に対して、車両の応答特性は一次遅れ、操舵力特性は一次進みにそれぞれ近似することができる。ここで、上記したように運転者の操舵入力速度が速い場合には、遅い場合に比べて車両の応答が遅れてくるため、必要な応答ゲインを得るために入力舵角を大きくしてしまいがちである。そのため、最終的に定常状態になった場合のゲインが過大になってしまう。特にタイヤのグリップ力の限界に近い領域に於ては、結果的にこの限界を超えてしまうことになる。
【０００６】
従って、操舵入力速度が速い場合には、それだけ速いタイミングで操舵付加反力を立ち上げなければ、タイヤのグリップ力の限界を超える操舵入力を効果的に抑制することができない。
【０００７】
操舵角入力に対する車両の応答は、以下のように表される。
【０００８】
【数１】
Ｇθ β(0)：横すべり角ゲイン定数
Ｇθ Th(0)：操舵トルクゲイン定数
Ｔγ：ヨーレート時定数
Ｔβ：横すべり角時定数
Ｔｓ：操舵トルク時定数
θ：操舵角
γ：ヨーレート
β：横すべり角
Ｔｈ：操舵トルク
ｓ：ラプラス演算子
【０００９】
上記したように操舵入力速度が速い場合には、入力舵角に対する操舵付加反力の進み時定数を増加させることが効果的である。この進み時定数を増加させるための手段として、操舵入力速度に応じた反力成分、即ちダンピング成分を操舵反力に付加することが考えられる。
【００１０】
ところで、横方向グリップ力の使用率が減少する方向、即ち転舵方向に対して切り戻す操舵を行う場合には、横方向グリップ力の使用率が増加する方向、即ち転舵方向に対して切り増す操舵を行う場合と同じダンピング成分を操舵反力に付加すると、ステアリングの戻りが遅くなり、操舵フィーリングの悪化を招くことになる。また、横方向グリップ力の使用率が小さい領域では、通常の操舵力特性よりもダンピング成分を増加した操舵反力を発生させることは、操舵フィーリングの悪化を招く虞がある。
【００１１】
本発明は、上記した従来技術の問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、簡単な構造及び制御により、タイヤと路面との間の摩擦係数が低い状態でも不用意にステアリングを切り過ぎないような操舵を促すことが可能であり、かつ通常走行時の操舵フィーリングも悪化することのないパワーステアリング装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記した目的は、本発明によれば、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前記手動操舵力に対抗する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、操舵入力速度を検出する手段と、転舵方向に対して入力操舵方向が切り増しているか切り戻しているかを判断する手段とを有し、前記制御手段は、入力操舵速度の増大に応じて前記操舵抵抗力を増大させるようになっていると共に前記切り増し方向への操舵時に比較して前記切り戻し方向への操舵時の前記操舵抵抗力を小さくするようになっていることを特徴とする電動パワーステアリング装置を提供することにより達成される。特に、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更に備え、前記制御手段は、前記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大きくするようになっていると良い。
【００１３】
【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。
【００１４】
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、車速及び前後方向加速度に基づいて最大舵角を設定する最大舵角設定手段３と、操向車輪（前輪）２３の実横方向グリップ力（以下、実横力と記す）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、最大舵角データ、前輪実横力Ｆｙ、および前輪実前後力Ｆｘから、現在の横方向グリップ力利用率（以下、実横力利用率と記す）ξを算出する横力利用率演算手段６と、車速及び横力利用率ξに応じて、操舵抵抗トルク指令値（操舵反力）Ｔｃのうちの操舵角成分反力指令値Ｔｃａを設定するための舵角成分反力指令値設定手段７と、後記する手順で転舵方向に対して入力操舵方向が切り増しているか切り戻しているかを判断する操舵方向判別手段８と、車速、操舵角速度及び操舵方向の判別結果に応じて操舵抵抗トルク指令値（操舵反力）Ｔｃのうちの操舵角速度成分反力指令値Ｔｃｂを設定するための舵角成分反力指令値設定手段９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１０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、操舵角成分反力指令値Ｔｃａと操舵角速度成分反力指令値Ｔｃｂとを加算してなる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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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、
【００１８】
【数２】
Ｆｒ＝Ｆｐ＋Ｆｍ
【００１９】
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。
【００２０】
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、
【００２１】
【数３】
Ｆｐ＝Ｔｓ／ｒｐ
【００２２】
で表されるので、ピニオン軸力演算手段１２に操舵トルクセンサ２６の出力Ｔｓを入力して得る。
【００２３】
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、
【００２４】
【数４】
Ｆｍ＝Ｎ・Ｔｍ
【００２５】
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１３に入力して得る。
【００２６】
ここでモータの出力軸トルクＴｍは次式で与えられる。
【００２７】
【数５】
Ｔｍ＝Ｋｔ・Ｉｍ−Ｊｍ・θｍ”−Ｃｍ・θｍ’±Ｔｆ
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
【００２８】
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。
【００２９】
【数６】
θｍ’＝（Ｖｍ−Ｉｍ・Ｒｍ）／Ｋｍ
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
【００３０】
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。
【００３１】
【数７】
θｍ’＝（θｓ’−Ｔｓ’／Ｋｓ）Ｎ
Ｋｓ：トルクセンサ２６のばね定数
ｓ’：操舵トルクの微分値
【００３２】
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１４を通すことにより、Ｆｐ・Ｆｍ間の位相ずれを補正すると良い。
【００３３】
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。
【００３４】
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、最大操舵角が設定できる。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。
【００３５】
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。
【００３６】
【数８】
Ｆｒｃ・Ｌａ＝Ｆｙ・Ｔ・ｃｏｓδ
すなわち、
【００３７】
【数９】
Ｆｙ＝Ｆｒｃ・Ｌａ／Ｔ・ｃｏｓδ
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）
【００３８】
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のメモリに格納しておき、車速Ｖに基づいて検索する。
【００３９】
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。
【００４０】
【数１０】
ξ＝Ｆｙ／Ｆｙｍａｘ
【００４１】
次いで、操舵角成分反力指令値設定手段７にて予め設定されたマップを参照し、横力利用率ξに対応した操舵角成分反力指令値Ｔｃａ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と共に増大する特性が与えられている。
【００４２】
尚、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。
【００４３】
一方、操舵方向判別手段８による操舵方向の判別は、操舵角θの絶対値の増減により以下の式から行われる。
【００４４】
【数１１】
ａｂｓ（θh0）−ａｂｓ（θh1）＞０：切り増し時
ａｂｓ（θh0）−ａｂｓ（θh1）＜０：切り戻し時
θh0：操舵角サンプリング今回値
θh1：操舵角サンプリング前回値
【００４５】
また、車両の状態を考慮して操舵抵抗力を設定する場合には、車両状態量、例えば、車両のヨーレートγの絶対値の増減により判別できる。
【００４６】
【数１２】
ａｂｓ（γ0）−ａｂｓ（γ1）＞０：切り増し時
ａｂｓ（γ0）−ａｂｓ（γ1）＜０：切り戻し時
γ0：操舵角サンプリング今回値
γ1：操舵角サンプリング前回値
【００４７】
上記のように求められた操舵方向の判別値Ｄ（例えば切り増し時を０、切り戻し時を１）に応じて、操舵角速度成分反力指令値設定手段９にて操舵角速度成分反力指令値Ｔｃｂが求められる。詳細には、図９に示すように、切り増し時には、操舵角速度ωに対して、係数（Ｋd1）を掛け合わせ、更に予め設定されたレシオマップより、上記横力使用率算出手段６により算出された横力使用率に応じてレシオを算出し、この値を更に上記算出値Ｋd1（ω）に掛け合わせて、操舵角速度成分反力指令値Ｔｃｂが求められる。また、切り戻し時には操舵角速度ωに対して、係数（Ｋd2＜Ｋd1）を掛け合わせ、更に予め設定されたレシオマップより、上記横力使用率算出手段６により算出された横力使用率に応じてレシオを算出し、この値を更に上記算出値Ｋd2（ω）値に掛け合わせて、操舵角速度成分反力指令値Ｔｃｂが求められる。
【００４８】
尚、切り戻し時に於ては、切り過ぎ抑制効果は必要なく、また、切り増し時と同等のダンピングを与える必要がないことから、操舵フィーリングを向上するべくその係数Ｋd2は切り増し時の係数Ｋd1よりも小さく設定されている。
【００４９】
これにより求められた操舵角速度成分反力指令値Ｔｃｂを上記操舵角成分反力指令値Ｔｃａに加えて操舵抵抗トルク指令値Ｔｃを得、操舵補助トルク指令値Ｔａに操舵抵抗トルク指令値Ｔ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。
【００５０】
尚、上記構成では操舵角成分反力指令値Ｔｃａを横方向グリップ力の使用率から求めたが、これに限定されず、例えばヨーレートから求めても良い。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、入力された操舵速度に応じて、操舵付加反力を変化させることにより、操舵入力速度が速い場合にも、操舵入力速度の増大に応じて、車両の応答遅れを考慮した操舵抵抗力を発生させることができ、切り過ぎ抑制効果を向上することが可能となるばかりでなく、切り増し時に比較して切り戻し時の操舵抵抗力を小さくして切り戻し時の操舵力を軽減することで、操舵フィーリングの向上を図ることができる。特に横方向グリップ力の使用率が減少する転舵方向から切り戻す操舵を行う場合には、横方向グリップ力の使用率が増加する転舵方向へ切り増す操舵を行う場合よりも操舵反力に付加する上記入力操舵速度に応じた操舵抵抗力（ダンピング成分）を減少させることにより、ステアリングの戻りをむしろ促進し、操舵フィーリングをより一層向上することができる。
【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。
【図９】操舵角速度成分反力指令値設定手段のブロック図。
【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 操舵角成分反力指令値設定手段
８ 操舵方向判別手段
９ 操舵角速度成分反力指令値設定手段
１０ 操舵補助トルク設定手段
１１ モータ駆動制御手段
１２ ピニオン軸力演算手段
１３ モータ軸力演算手段
１４ 位相補償フィルタ
１５ 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 (2)
- 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前記手動操舵力に対抗する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、
入力操舵速度を検出する手段と、
転舵方向に対して入力操舵方向が切り増しているか切り戻しているかを判断する手段とを有し、
前記制御手段は、入力操舵速度の増大に応じて前記操舵抵抗力を増大させるようになっていると共に前記切り増し方向への操舵時に比較して前記切り戻し方向への操舵時の前記操舵抵抗力を小さくするようになっていることを特徴とする電動パワーステアリング装置。 - 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更に備え、
前記制御手段は、前記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大きくするようになっていることを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
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