JP3646050B2 - 車両用操舵装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、たとえば、ステアリングホイールなどの操作部材の操作に対する舵取り車輪の転舵の関係を変更しうる車両用操舵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ステアリングホイールと舵取り車輪を転舵するための舵取り機構との機械的な結合を無くし、ステアリングホイールの操作方向および操作量を検出するとともに、その検出結果に基づいて、舵取り機構のラック軸に電動モータ等のアクチュエータからの駆動力を与えるようにした車両用操舵装置（いわゆる、ステア・バイ・ワイヤ・システム）が提案されている（たとえば、特開平９−１４２３３０号公報参照）。
【０００３】
このような構成を採用することにより、舵取り機構とステアリングホイールとを機械的に連結する必要がないので、衝突時におけるステアリングホイールの突き上げを防止できるとともに、舵取り機構の構成を簡素化および軽量化することができる。また、ステアリングホイールの配設位置の自由度が増し、さらには、ステアリングホイール以外のレバーまたはペダル等の他の操作部材の採用をも可能とすることができる。
【０００４】
上記のような構成の車両用操舵装置においては、ステアリングホイールの操作と舵取り機構の動作との関係を電気的制御によって、自由に変更することができるので、車両の運転性能を飛躍的に向上できるものと期待されている。
たとえば、ステアリングホイールの操作トルクまたは操作角に対応する目標ヨーレートまたは目標横加速度を求め、これらに基づいて舵取り機構の動作を制御することによって、車両の姿勢制御を行うことができ、操舵に対する車両の運動特性を最適化できる。
【０００５】
舵取り機構の目標転舵角は、ステアリングホイールの操作角に基づいて目標横加速度および目標ヨーレートを求め、これらに対応した値に定められる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような車両用操舵装置においては、乾燥アスファルト路における応答性を高める目的で、制御ゲインが可能な限り高く設定される。
しかし、この状態で雪路面などの低μ路を走行すると、過剰制御状態となって、振動または発振が生じる場合があった。
この問題は、ステア・バイ・ワイヤ・システムに限らず、ステアリングホイールと舵取り機構との間のギア比が可変なＶＧＳ（バリアブル・ギアレシオ・ステアリング）システムにおいても、同様に生じていた。
【０００７】
そこで、この発明の目的は、上述の技術的課題を解決し、過剰制御に起因する振動または発振を抑制することができる車両用操舵装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、車両の操向のための操作部材（１）の操作に応じて舵取り機構（２，３）を駆動する車両用操舵装置であって、上記操作部材の操作に応じた目標転舵角を演算する目標転舵角演算手段（３１，３２）と、舵取り車輪の実転舵角を検出する転舵角検出手段（１３）と、上記目標転舵角演算手段によって演算された目標転舵角と上記転舵角検出手段によって検出される実転舵角との偏差に基づいて上記舵取り機構を駆動する舵取り制御手段（２０，３３）と、上記目標転舵角と実転舵角との大小関係が所定時間内に所定回数以上反転する場合に、上記舵取り制御手段の制御ゲインを減少させる制御ゲイン設定手段（３５）とを含むことを特徴とする車両用操舵装置である。なお、括弧内の数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表す。
【０００９】
前記操作部材と舵取り機構との間には機械的な結合が無く、操作部材の操作に対応して舵取り機構が電気的に制御されるようになっていることが好ましい。
また、目標転舵角と実転舵角との大小関係の反転は、目標転舵角と実転舵角との偏差の符号の反転を調べることによって検出できる。
上記の構成によれば、目標転舵角と実転舵角との大小関係が所定の頻度以上で反転する場合に、舵取り制御手段の制御ゲインが小さく設定される。目標転舵角と実転舵角との大小関係が高頻度で反転する場合には、過剰制御に起因する発振状態であると考えられる。そこで、この発明では、そのような状況のときに、舵取り制御の制御ゲインを減少することによって、適正制御状態へと導くこととしている。
【００１０】
制御ゲインの変更は、ステアリングホイールなどの操作部材の操作角に対する舵取り機構の転舵角の比（ギア比）を変化させることによって行われてもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る車両用操舵装置の基本的な構成を説明するための概念図である。この車両用操舵装置は、いわゆるステア・バイ・ワイヤ・システムであって、ステアリングホイール（操作部材）１の回転操作に応じて駆動される操舵用アクチュエータ２の動作をステアリングギア３によって前部左右車輪４（舵取り車輪）の転舵運動に変換することによって、ステアリングホイール１とステアリングギア３とを機械的に連結することなく、操舵を達成している。この場合に、操舵用アクチュエータ２およびステアリングギア３などにより、舵取り機構が構成されている。
【００１２】
操舵用アクチュエータ２は、たとえば公知のブラシレスモータ等の電動モータにより構成することができる。ステアリングギア３は、操舵用アクチュエータ２の出力シャフトの回転運動をステアリングロッド７の軸方向（車幅方向）の直線運動に変換する運動変換機構（ボールねじ機構など）を有する。ステアリングロッド７の運動は、タイロッド８を介してナックルアーム９に伝達され、このナックルアーム９の回動を引き起こす。これにより、ナックルアーム９に支持された車輪４の転舵が達成される。
【００１３】
ステアリングホイール１は、車体に対して回転可能に支持された回転シャフト１０に連結されている。この回転シャフト１０には、ステアリングホイール１に操舵反力を与えるための反力アクチュエータ１９が付設されている。具体的には、反力アクチュエータ１９は、回転シャフト１０と一体の出力シャフトを有するブラシレスモータ等の電動モータにより構成することができる。
回転シャフト１０のステアリングホイール１とは反対側の端部には、渦巻きばねなどからなる弾性部材３０が車体との間に結合されている。この弾性部材３０は、反力アクチュエータ１９がステアリングホイール１にトルクを付加していないときに、その弾性力によって、ステアリングホイール１を直進操舵位置に復帰させる。
【００１４】
ステアリングホイール１の操作入力値を検出するために、回転シャフト１０の回転角に対応する操作角δhを検出するための操作角センサ１１が設けられている。また、回転シャフト１０には、ステアリングホイール１に加えられた操作トルクＴを検出するためのトルクセンサ１２が設けられている。
操作角センサ１１は、たとえば、ステアリングホイール１が中立位置（直進操舵位置）から右方向に操舵された右方向操舵位置にあるときには正の値の検出値を出力し、ステアリングホイール１が中立位置から左方向に操舵された左方向操舵位置にあるときには負の値の検出値を出力する。
【００１５】
一方、操舵用アクチュエータ２の出力値を検出するための出力値センサとして、車輪４の転舵角δを検出する転舵角センサ１３が設けられている。この転舵角センサ１３は、操舵用アクチュエータ２によるステアリングロッド７の作動量を検出するポテンショメータなどで構成することができる。転舵角δは、たとえば、舵取り車輪４が右方向に切られている状態のときに正の値をとり、舵取り車輪４が左方向に切られているときに負の値をとる。
【００１６】
操作角センサ１１、トルクセンサ１２および転舵角センサ１３は、コンピュータを含むステアリング系制御装置２０（舵取り制御手段）に接続されている。この制御装置２０には、さらに、車両の横加速度Ｇyを検出するための横加速度センサ１５と、車両のヨーレートγを検出するヨーレートセンサ１６と、車速Ｖを検出する速度センサ１４とが接続されている。なお、横加速度Ｇyおよびヨーレートγに相関する変量として、操作角δhと車速Ｖ以外に、たとえば、車輪速を検出するセンサを制御装置２０に接続してもよい。
【００１７】
制御装置２０は、駆動回路２２，２３を介して操舵用アクチュエータ２と反力アクチュエータ１９とを制御する。
図２は、制御装置２０の制御内容を説明するためのブロック図である。制御装置２０は、コンピュータによるプログラム処理によって、図２に示された各機能部の動作を実現する。
図中の記号について説明すると、Ｇyは横加速度センサ１５によって検出される車両の横加速度、Ｇy^*は横加速度の目標値、γはヨーレートセンサ１６によって検出される車両のヨーレート、δは転舵角センサ１３によって検出される舵取り機構の転舵角、δ^*は転舵角の目標値、δhは操作角センサ１１によって検出される操作角、Ｖは速度センサ１４によって検出される車速、Ｔはトルクセンサ１２によって検出される操作トルク、Ｔ^*は操作トルクの目標値、ｉ^*は操舵用アクチュエータ２の駆動電流の目標値、ｉh^*は反力アクチュエータ１９の駆動電流の目標値を示す。
【００１８】
目標横加速度演算部３１は、操作角δhに基づいて、Ｇy^*＝Ｋ１・δhにより、目標横加速度Ｇy^*を求める。Ｋ１は、操作角δhに対する目標横加速度Ｇy^*のゲインであり、最適な制御を行えるように調整される。発生可能な横加速度は車速が小さくなると小さくなるので、ゲインＫ１は車速Ｖの関数とされている。
一方、操作角センサ１１が検出する操作角δhに基づき、目標トルク演算部２５によって目標トルクＴ^*が求められる。具体的には、目標トルクＴ^*は、Ｔ^*＝Ｋ２・δh（ただし、Ｋ２は、操作角δhに対する目標トルクＴ^*のゲインである。）として定められる。この目標トルクＴ^*に対する操作トルクＴの偏差（Ｔ^*−Ｔ）が求められ、これに基づいて、反力アクチュエータ制御部２６は、反力アクチュエータ１９の目標駆動電流ｉh^*を設定する。この目標駆動電流ｉh^*は、ｉh^*＝Ｇ４・（Ｔ^*−Ｔ）により定められる。ただし、Ｇ４は、伝達関数であり、たとえば、Ｇ４＝Ｋｄ（１＋１／（Ｔd・ｓ））とされる。Ｋｄはゲイン、Ｔｄは時定数、ｓはラプラス演算子である。
【００１９】
目標転舵角δ^*を求める目標転舵角演算部３２は、横加速度に基づく目標転舵角δ_G ^*と、ヨーレートに基づく目標転舵角δγ^*とを加算して、目標転舵角δ^*＝δ_G ^*＋δγ^*を求める。横加速度に基づく目標転舵角δ_G ^*は、目標横加速度Ｇy^*に対する実際の車両５０の横加速度Ｇyの偏差（Ｇy^*−Ｇy）および伝達関数Ｇ１により、δ_G ^*＝Ｇ１・（Ｇy^*−Ｇy）として求められる。これに対して、ヨーレートに基づく目標転舵角δγ^*は、車両５０の実際のヨーレートγと車速Ｖとの積算値γ・Ｖの目標横加速度Ｇy^*に対する偏差（Ｇy^*−γ・Ｖ）を求め、この偏差と伝達関数Ｇ２とによって、δγ^*＝Ｇ２・（Ｇy^*−γ・Ｖ）として求められる。目標ヨーレートγ^*と目標横加速度Ｇy^*との間には、γ^*Ｖ＝Ｇy^*なる関係が成立するので、前述の偏差（Ｇy^*−γ・Ｖ）＝（γ^*−γ）Ｖは、目標ヨーレートγ^*に対する実際のヨーレートγの偏差に対応している。
【００２０】
こうして求められた目標転舵角δ^*に基づき、舵取り制御部３３は、操舵用アクチュエータ２の駆動制御を実行する。具体的には、舵取り制御部３３は、目標転舵角δ^*に対する実際の転舵角δの偏差（δ^*−δ）を求め、この偏差（δ^*−δ）と伝達関数Ｇ３とを用いて、目標駆動電流ｉ^*＝Ｇ３・（δ^*−δ）を求め、この目標駆動電流ｉ^*に基づいて、操舵用アクチュエータ２をフィードバック制御する。
【００２１】
前述の伝達関数Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３は、たとえば、それぞれ、下記第(1)式、第(2)式および第(3)式のように定められる。
【００２２】
【数１】

【００２３】
制御ゲインＫａ，Ｋｂ，Ｋｃおよび時定数Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃは、最適な制御を行えるように適切に調整されるのであるが、とくに、この実施形態では、路面状態（摩擦係数の高低など）に応じた適切な制御を行うために、目標転舵角δ^*と実際の転舵角δとの偏差に対する目標駆動電流ｉ^*の制御ゲイン（舵取り機構の駆動制御のための制御ゲイン）Ｋｃを設定するための制御ゲイン設定部３５が設けられている。
【００２４】
制御ゲイン設定部３５は、目標転舵角δ^*と転舵角センサ１３によって検出される実転舵角δとの偏差である偏差Δδが入力される反転頻度検出部３５１を備えている。この反転頻度検出部３５１は、偏差Δδの符号が正負反転する頻度を検出するものであって、所定時間Δｔ（たとえば、１秒以内）に偏差Δδの符号が所定回数（たとえば、５回）以上反転するかどうかを検出する。この反転頻度検出部３５１による検出結果は、制御ゲイン設定部３５２に与えられるようになっている。
【００２５】
図３は、制御ゲイン設定部３５の働きを説明するためのフローチャートである。制御ゲイン設定部３５は、一定の制御周期（たとえば、１０ミリ秒）ごとに繰り返されるステップＳ１〜Ｓ６の処理を実行する。制御ゲイン設定部３５は、まず、前回の制御周期における上記偏差Δδｐと今回の制御周期における偏差Δδとの積Δδｐ・Δδを求め、この積Δδｐ・Δδが負の値（好ましくは、負の一定値−α未満（αは正の値）であるかどうかを判断する（ステップＳ１）。この積の値Δδｐ・Δδが負の値をとれば、前回の制御周期と今回の制御周期において、偏差Δδの符号が反転したことを意味する。上記の積の値Δδｐ・Δδの値が負の値（好ましくは、負の一定値−α未満）であれば（ステップＳ１のＹＥＳ）、反転回数カウント値Ｃが＋１だけインクリメントされる（ステップＳ２）。
【００２６】
この反転カウント値Ｃが所定値ＴＨ（たとえば、ＴＨ＝５）に達したかどうかがさらに判定され（ステップＳ３）、反転回数カウント値Ｃが上記所定値ＴＨに達すると、所定時間Δｔが経過したかどうかが判断される（ステップＳ４）。
この所定時間Δｔが経過するよりも前に、反転回数カウント値Cが所定値ＴＨに達すると（ステップＳ４のＮＯ）、舵取り制御部３３の制御ゲインＫｃが、たとえば、所定値ΔＫだけ減少させられ（ステップＳ５）、さらに、上記所定時間Δｔのタイムアウトを検出するためのタイムカウント値ｔおよび反転回数カウント値Ｃがリセットされる（ステップＳ６）。これに対して、上記所定時間Δｔの経過時までに（タイムカウント値ｔがΔｔに達するまでに）反転回数カウント値Cが所定値ＴＨに達しなければ（ステップＳ４のＹＥＳ）、制御ゲインを変更することなく、タイムカウント値ｔをリセットし、さらに、反転回数カウント値Ｃをリセットする（ステップＳ６）。この場合には、舵取り制御部３３の制御ゲインＫｃが変更されることはない。
【００２７】
反転回数カウント値Ｃが所定値ＴＨを超えていなければ（ステップＳ３のＮＯ）、当該制御周期においては、タイムカウント値ｔおよび反転回数カウントＣのリセットが行われることがなく、また、制御ゲインＫｃが変更されることもない。
図４は、目標転舵角δ^*と転舵角センサ１３によって検出される実転舵角δとの時間変化の一例を示す図である。雪路面などのような低μ路を走行しているときには、舵取り制御部３３の制御ゲインＫｃが大きく設定されていると、制御が過剰となり、実転舵角δは目標転舵角δ^*の値を中心に短い周期で振動することになる。その結果、偏差Δδは、短い周期で、すなわち、所定以上の頻度でその符号が正負反転することになる。この状態が、図３のステップＳ１〜Ｓ４の処理によって検出され、ステップＳ５の処理により、舵取り制御部３３の制御ゲインＫｃが減少させられる。これによって、実転舵角δの発振状態が抑制され、路面状態に応じた適正な制御ゲインに設定されることになる。
【００２８】
以上のように、この実施形態によれば、目標転舵角δ^*と実転舵角δとの大小関係（偏差Δδの符号）が所定の頻度以上で反転する場合には、このような状態が収まるまで舵取り制御部３３の制御ゲインが徐々に下げられる。これによって、舵取り制御部３３の制御ゲインは、路面状態に応じた適切な値に設定されることになる。その結果、振動または発振を効果的に抑制することができる。
偏差Δδの符号の反転を過敏に検出しないようにするためには、ステップＳ１において、Δδｐ・Δδが一定の負の値−α未満かどうかを判断するようにすればよい。
【００２９】
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明は、他の形態で実施することも可能である。たとえば、舵取り機構の制御は、ＰＩ（比例積分）制御、Ｐ（比例）制御、ＰＤ（比例微分）制御およびＰＩＤ（比例積分微分）制御などの任意の制御則を用いて行える。
また、上記の実施形態では、制御ゲインＫｃの変更を例にとって説明したが、この制御ゲインＫｃとともに、他の制御ゲインＫａ，Ｋｂの変更も行うようにしてもよい。
【００３０】
さらに、この発明は、上述のようなステア・バイ・ワイヤ・システムに限らず、操作部材の操作角と舵取り機構の転舵角との対応関係を変更することができる車両用操舵装置に対して広く適用することができる。たとえば、操作部材の操作角に対する舵取り機構の転舵角の比（ギア比）が可変なシステムにおいては、このギア比を変更することによって、制御ゲインの変更が可能になる。
また、上述の実施形態では、四輪車両の２つの車輪が舵取り車輪として転舵可能な場合について説明したが、４つの車輪の全てが転舵される四輪操舵システムにこの発明を適用してもよい。
【００３１】
また、上述の実施形態では、操作部材としてステアリングホイールが用いられる例について説明したが、この他にも、レバーやペダルなどの他の操作部材が用いられてもよい。
これらの他にも、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係る車両用操舵装置の基本的な構成を説明するための概念図である。
【図２】舵取り制御の内容を説明するためのブロック図である。
【図３】舵取り制御のための制御ゲイン設定処理を説明するためのフローチャートである。
【図４】目標転舵角と転舵角センサによって検出される実転舵角との時間変化の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ ステアリングホイール
２ 操舵用アクチュエータ
１１ 操作角センサ
１２ トルクセンサ
１３ 転舵角センサ
１４ 速度センサ
１５ 横加速度センサ
１６ ヨーレートセンサ
２０ ステアリング系制御装置
３３ 舵取り制御部
３５ 制御ゲイン設定部
３５１ 反転頻度検出部
３５１ ゲイン設定部

Claims (1)

1. 車両の操向のための操作部材の操作に応じて舵取り機構を駆動する車両用操舵装置であって、
   上記操作部材の操作に応じた目標転舵角を演算する目標転舵角演算手段と、
   舵取り車輪の実転舵角を検出する転舵角検出手段と、
   上記目標転舵角演算手段によって演算された目標転舵角と上記転舵角検出手段によって検出される実転舵角との偏差に基づいて上記舵取り機構を駆動する舵取り制御手段と、
   上記目標転舵角と実転舵角との大小関係が所定時間内に所定回数以上反転する場合に、上記舵取り制御手段の制御ゲインを減少させる制御ゲイン設定手段とを含むことを特徴とする車両用操舵装置。

Images