JP3660106B2 - 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、前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を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（低μ路）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、タイヤと路面間の摩擦係数と車速とに基づいて操向車輪の横力利用率を算出し、横力利用率値に基づいて手動操舵系に加える操舵抵抗を制御するようにした電動パワーステアリング装置を本出願人は提案している（特願平８−３０９４９６号明細書参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、前輪駆動車の場合、旋回中にアクセルオフすると、前輪の横力（コーナリングフォース）が増大してオーバーステア傾向となる所謂タックイン現象を生じるが、この現象が雪道のような摩擦係数が極度に低い路面上で起こると、後輪の横力が飽和することがある。つまり従来の手法では後輪のグリップ状況が考慮されていないので、特に低μ路での操縦応答性を向上する上に十分とは言えない面があった。
【０００５】
本発明は、このような問題点を解消するべくなされたものであり、その主な目的は、滑り易い路面上での車両挙動が不安定となることをより一層確実に抑制し得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にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような目的を果たすために、本発明においては、車両の前輪に舵角を与える操舵系に動力を付加するモータと、該モータに発生させる操舵補助力を制御する制御手段とを有する電動パワーステアリング装置において、後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し、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操舵補助力を相対的に減少させるように制御するものとした。これによると、後輪が摩擦円を逸脱しそうな状態になるとステアリングホイールが重くなる（操舵に要する力が増大する）ので、過度な操舵を抑制できる。
【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は、本発明が適用された前後輪操舵車両の一例を示している。この車両の前輪１側には、ステアリングホイール２に加えた回転力をピニオン（図示せず）でラック軸３の軸力に変換すると共に、電動モータ４による補助的な軸力をラック軸３に加えるようにしたラック／ピニオン式電動パワーステアリング装置５が設けられている。
【０００９】
後輪６に舵角を与える後輪操舵装置７は、車幅方向に延在する操舵ロッド８を電動モータ９で軸方向に駆動し、その軸力を、前輪１側のラック軸３と同様に、左右の後輪６を支持したナックルアーム１０にタイロッド１１を介して伝達するようになっている。
【００１０】
電動パワーステアリング装置５には、ラック軸３の変位から前輪１の舵角δｆを検出するための舵角センサ１２が設けられ、また後輪操舵装置７には、操舵ロッド８の変位から後輪６の舵角δｒを検出するための舵角センサ１３が設けられている。そしてステアリングシャフト１４には、ステアリングホイール２に加わる手動操舵トルクＴｓを検知するための操舵トルクセンサ１５が設けられている。さらに、各車輪には車速センサ１６がそれぞれ設けられ、車体の適所にはヨーレイトセンサ１７が設けられ、ブレーキペダルにはブレーキ作動センサ１８が設けられている。
【００１１】
これらの各センサは、電動パワーステアリング装置５並びに後輪操舵装置７のモータ４・９を駆動制御するコンピュータユニット（ＥＣＵ）１９に電気的に接続されている。
【００１２】
この前後輪操舵車両は、ステアリングホイール２を運転者が操舵すると、その回転運動がラック／ピニオン機構でラック軸３の直線運動に変換され、それによって前輪１に舵角が与えられる。それと同時に、ラック軸３の移動量が舵角センサ１２からＥＣＵ１９に入力される。そして前輪舵角δｆ、車速Ｖ、及びヨーレイトγの各入力値に基づいて、その時の後輪６の最適舵角がＥＣＵ１９で決定され、それに従って後輪操舵装置７のモータ９が駆動されて後輪６に舵角が与えられる。
【００１３】
図２は、本発明に基づく前後輪操舵車両の制御系の全体構成を示している。本制御系は、大別して前輪１側に設けられたパワーステアリング装置５の制御系と、後輪６側に設けられた後輪操舵装置７の制御系とからなっている。
【００１４】
パワーステアリング装置５は、ラック軸３に作用するラック軸力Ｆｒを算出するラック軸力演算手段２１と、路面摩擦係数μを算出する路面摩擦係数演算手段２２と、路面摩擦係数μに基づいて前輪１並びに後輪６の等価摩擦円を設定する等価摩擦円設定手段２３と、ラック軸力Ｆｒおよび前輪舵角δｆに基づいて前輪１の実横力（コーナリングフォース）Ｆｙｆを算出する前輪横力演算手段２４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１の実前後力Ｆｘｆを算出する前輪前後力演算手段２５と、前輪等価摩擦円データ、前輪実横力Ｆｙｆ、および前輪実前後力Ｆｘｆから、現在の前輪の横力利用率ξｆを算出する前輪横力利用率演算手段２６と、前輪横力利用率ξｆ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２７と、後輪６（非駆動輪）側の車速センサ１６の出力で得た車速Ｖ並びに操舵トルクセンサ１５の出力で得たステアリングホイール２を介してステアリングシャフト１４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２８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に基づいてパワーステアリング装置５のモータ４の出力を制御する前輪用モータ駆動制御手段２９とからなっている。
【００１５】
パワーステアリング装置５のモータ４に加える操舵抵抗トルク指令値Ｔｃは、後記する後輪横力利用率演算手段が算出した後輪横力利用率ξｒに基づいて設定される補正値Ｔｃｒ（操舵抵抗補正トルク設定手段３８で設定する）を加算するようにされており、後輪横力利用率ξｒも加味した操舵抵抗トルクを付加し得るようになっている。
【００１６】
後輪操舵装置７は、操舵ロッド８に与える後輪６の基本舵角δｒを、前輪舵角δｆ、車速Ｖ、およびヨーレイトγに基づいて最適に設定する後輪基本舵角設定手段３１と、操舵ロッド８に作用する軸力Ｆｌを算出するロッド軸力演算手段３２と、後輪６の実横力Ｆｙｒを算出する後輪横力演算手段３３と、ブレーキ液圧から求めた制動力に基づいて後輪６の実前後力Ｆｘｒを算出する後輪前後力演算手段３４と、等価摩擦円データ、後輪実横力Ｆｙｒ、および後輪実前後力Ｆｘｒから、現在の後輪６の横力利用率ξｒを算出する後輪横力利用率演算手段３５と、前輪横力利用率ξｆまたは後輪横力利用率ξｒに応じた後輪６の補正舵角δｃを設定するための後輪補正舵角設定手段３６と、後輪基本舵角設定手段３１と後輪補正舵角設定手段３６との信号の加算値に基づいて操舵ロッド８を駆動するモータ９を制御する後輪用モータ駆動制御手段３７とからなっている。
【００１７】
次に路面摩擦係数μの算出方法について説明する。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δｆ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。
【００１８】
路面からの操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回りの粘性項、慣性項、フリクション項およびモータ４回りのフリクション項は微小なので省略すると、ステアリングシャフト１４からのラック軸力Ｆｐとモータ４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。
【００１９】
先ず、ステアリングシャフト１４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２１ａに操舵トルクセンサ１５の出力Ｔｓを入力して得る。
【００２０】
次にモータ４からのラック軸力Ｆｍは、モータ４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４の電流値Ｉｍ、並びに電圧値Ｖｍをモータ軸力演算手段２１ｂに入力して得る。
【００２１】
ここでモータ４の出力軸トルクＴｍは次式で与えられる。
但し、Ｋｔ：モータトルク定数
Ｉｍ：モータ電流
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
【００２２】
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
Ｒｍ：モータ抵抗（設計値・定数）
Ｋｍ：モータの誘導電圧定数
【００２３】
以上により求めたステアリングシャフト１４からのラック軸力Ｆｐとモータ４からのラック軸力Ｆｍとは、実用上は位相補償フィルタ２１ｃを通すことにより、Ｆｐ・Ｆｍ間の位相ずれを補正すると良い。
【００２４】
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、前輪舵角δｆ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／Δδｆと、モデルラック軸力増加率ΔＦｒｍ／Δδｆ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。
【００２５】
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Ｆｘｆを置けば、その時の最大横力Ｆｙｆｍａｘが得られる。
【００２６】
次に図７を参照して前輪１の接地点に加わる実横力Ｆｙｆ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Ｆｙｆとのつり合いは、次式で与えられる。
Ｆｒｃ・Ｌａ＝Ｆｙｆ・Ｔ・ｃｏｓδｆ
すなわち、
Ｆｙ＝Ｆｒｃ・Ｌａ／Ｔ・ｃｏｓδ
但し、Ｌａ：ラック軸３とキングピン軸Ｋとの軸心間距離（設計値・定数）
Ｔ：トレール
δｆ：前輪舵角（舵角センサの出力）
【００２７】
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３９をＥＣＵ１９のメモリーに格納しておき、車速Ｖに基づいて検索する。
【００２８】
このようにして求めた実横力Ｆｙｆと上記の摩擦円から求めた最大横力Ｆｙｆｍａｘとから、横力利用率演算手段２６で次式から前輪１の横力利用率ξｆを算出する。
ξｆ＝Ｆｙｆ／Ｆｙｆｍａｘ
【００２９】
次いで、操舵抵抗トルク設定手段２７、並びに操舵抵抗補正トルク設定手段３８に予め設定されたマップを参照し、前輪横力利用率ξｆ並びに後輪横力利用率ξｒに対応した操舵抵抗トルクＴｃｆ並びに操舵抵抗補正トルクＴｃｒを求める。
【００３０】
なお、後輪最大横力Ｆｙｒｍａｘ、および後輪実横力Ｆｙｒも、上記のラック軸力が操舵ロッド８に対して加わるモータ９からの軸力に代わるだけで、基本的な求め方は前輪のそれと全く同様である。なお、実ラック軸力Ｆｒｃ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。
【００３１】
このようにして決定された操舵抵抗トルクＴｃｆと操舵抵抗補正トルクＴｃｒとの加算値からなる操舵抵抗トルク指令値Ｔｃを、操舵補助トルク設定手段３８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４を制御することにより、低μ路でコーナリングフォースが限界を超えるような（横力利用率ξｆ・ξｒが１以上）過大な操舵を運転者が不用意に行うことを防止するための擬似的な操舵抵抗トルクを発生させるようにモータ４が駆動され、つまりステアリングホイール２が相対的に切り難くなるようにされる。
【００３２】
さて、後輪６の横力利用率ξｒが１を超えると、車体は旋回円の接線に対して内側を向く、つまりスピン傾向となる。そこで本発明では、上述したように、後輪６の横力利用率ξｒが１に近づくに連れてパワーステアリング装置に操舵抵抗力を発生させ、操舵補助力を相対的に減らすものとした。これにより、運転者がステアリングホイール２の切り過ぎを認識して前輪舵角を戻すので、ヨーイングモーメントが減少し、オーバーステア傾向が解消される。
【００３３】
ところで、後輪も操舵する車両においては、上記のように後輪舵角δｒに基づいて後輪横力Ｆｙｒを算出し得るが、後輪が操舵されない車両の場合は、後輪の支持部材の適所にロードセルを設けて後輪の軸方向荷重、つまりサイドフォースを検出すると共に、車速Ｖ、横加速度Ｇｙ、及びヨーレイトγを元に車体スリップ角βを以下の式で算出し、
β＝∫（γ−Ｇ／Ｖ）ｄｔ
サイドフォースと車体スリップ角βとからベクトル計算して後輪横力Ｆｙｒを得れば良い。
【００３４】
なお、上記は路面μに対する横方向グリップ力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、これは摩擦円の大きさによって安定に旋回可能な横加速度の許容値が定まるので、実横加速度値の許容値に対する割合を用いることもできる。
【００３５】
【発明の効果】
このように本発明によれば、滑り易い路面上での車両挙動の安定性をより一層高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される前後輪操舵車両の機械系の概略構成図。
【図２】本発明による制御系の概略構成図。
【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 前輪
２ ステアリングホイール
３ ラック軸
４ 電動モータ
５ 電動パワーステアリング装置
６ 後輪
７ 後輪操舵装置
８ 操舵ロッド
９ 電動モータ
１０ ナックルアーム
１１ タイロッド
１２・１３ 舵角センサ
１４ ステアリングシャフト
１５ 操舵トルクセンサ
１６ 車速センサ
１７ ヨーレイトセンサ
１８ ブレーキ作動センサ
１９ コンピュータユニット
２１ ラック軸力演算手段
２２ 路面摩擦係数演算手段
２３ 等価摩擦円設定手段
２４ 前輪横力演算手段
２５ 前輪前後力演算手段
２６ 前輪横力利用率演算手段
２７ 操舵抵抗トルク設定手段
２８ ステアリングシャフト
２９ 前輪用モータ駆動制御手段
３１ 後輪基本舵角設定手段
３２ ロッド軸力演算手段
３３ 後輪横力演算手段
３４ 後輪前後力演算手段
３５ 後輪横力利用率演算手段
３６ 後輪補正舵角設定手段
３７ 後輪用モータ駆動制御手段
３８ 操舵抵抗補正トルク設定手段
３９ トレールマップ
【発明の属する技術分野】
本発明は、前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を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（低μ路）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、タイヤと路面間の摩擦係数と車速とに基づいて操向車輪の横力利用率を算出し、横力利用率値に基づいて手動操舵系に加える操舵抵抗を制御するようにした電動パワーステアリング装置を本出願人は提案している（特願平８−３０９４９６号明細書参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、前輪駆動車の場合、旋回中にアクセルオフすると、前輪の横力（コーナリングフォース）が増大してオーバーステア傾向となる所謂タックイン現象を生じるが、この現象が雪道のような摩擦係数が極度に低い路面上で起こると、後輪の横力が飽和することがある。つまり従来の手法では後輪のグリップ状況が考慮されていないので、特に低μ路での操縦応答性を向上する上に十分とは言えない面があった。
【０００５】
本発明は、このような問題点を解消するべくなされたものであり、その主な目的は、滑り易い路面上での車両挙動が不安定となることをより一層確実に抑制し得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にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような目的を果たすために、本発明においては、車両の前輪に舵角を与える操舵系に動力を付加するモータと、該モータに発生させる操舵補助力を制御する制御手段とを有する電動パワーステアリング装置において、後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し、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操舵補助力を相対的に減少させるように制御するものとした。これによると、後輪が摩擦円を逸脱しそうな状態になるとステアリングホイールが重くなる（操舵に要する力が増大する）ので、過度な操舵を抑制できる。
【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は、本発明が適用された前後輪操舵車両の一例を示している。この車両の前輪１側には、ステアリングホイール２に加えた回転力をピニオン（図示せず）でラック軸３の軸力に変換すると共に、電動モータ４による補助的な軸力をラック軸３に加えるようにしたラック／ピニオン式電動パワーステアリング装置５が設けられている。
【０００９】
後輪６に舵角を与える後輪操舵装置７は、車幅方向に延在する操舵ロッド８を電動モータ９で軸方向に駆動し、その軸力を、前輪１側のラック軸３と同様に、左右の後輪６を支持したナックルアーム１０にタイロッド１１を介して伝達するようになっている。
【００１０】
電動パワーステアリング装置５には、ラック軸３の変位から前輪１の舵角δｆを検出するための舵角センサ１２が設けられ、また後輪操舵装置７には、操舵ロッド８の変位から後輪６の舵角δｒを検出するための舵角センサ１３が設けられている。そしてステアリングシャフト１４には、ステアリングホイール２に加わる手動操舵トルクＴｓを検知するための操舵トルクセンサ１５が設けられている。さらに、各車輪には車速センサ１６がそれぞれ設けられ、車体の適所にはヨーレイトセンサ１７が設けられ、ブレーキペダルにはブレーキ作動センサ１８が設けられている。
【００１１】
これらの各センサは、電動パワーステアリング装置５並びに後輪操舵装置７のモータ４・９を駆動制御するコンピュータユニット（ＥＣＵ）１９に電気的に接続されている。
【００１２】
この前後輪操舵車両は、ステアリングホイール２を運転者が操舵すると、その回転運動がラック／ピニオン機構でラック軸３の直線運動に変換され、それによって前輪１に舵角が与えられる。それと同時に、ラック軸３の移動量が舵角センサ１２からＥＣＵ１９に入力される。そして前輪舵角δｆ、車速Ｖ、及びヨーレイトγの各入力値に基づいて、その時の後輪６の最適舵角がＥＣＵ１９で決定され、それに従って後輪操舵装置７のモータ９が駆動されて後輪６に舵角が与えられる。
【００１３】
図２は、本発明に基づく前後輪操舵車両の制御系の全体構成を示している。本制御系は、大別して前輪１側に設けられたパワーステアリング装置５の制御系と、後輪６側に設けられた後輪操舵装置７の制御系とからなっている。
【００１４】
パワーステアリング装置５は、ラック軸３に作用するラック軸力Ｆｒを算出するラック軸力演算手段２１と、路面摩擦係数μを算出する路面摩擦係数演算手段２２と、路面摩擦係数μに基づいて前輪１並びに後輪６の等価摩擦円を設定する等価摩擦円設定手段２３と、ラック軸力Ｆｒおよび前輪舵角δｆに基づいて前輪１の実横力（コーナリングフォース）Ｆｙｆを算出する前輪横力演算手段２４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１の実前後力Ｆｘｆを算出する前輪前後力演算手段２５と、前輪等価摩擦円データ、前輪実横力Ｆｙｆ、および前輪実前後力Ｆｘｆから、現在の前輪の横力利用率ξｆを算出する前輪横力利用率演算手段２６と、前輪横力利用率ξｆ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２７と、後輪６（非駆動輪）側の車速センサ１６の出力で得た車速Ｖ並びに操舵トルクセンサ１５の出力で得たステアリングホイール２を介してステアリングシャフト１４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２８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に基づいてパワーステアリング装置５のモータ４の出力を制御する前輪用モータ駆動制御手段２９とからなっている。
【００１５】
パワーステアリング装置５のモータ４に加える操舵抵抗トルク指令値Ｔｃは、後記する後輪横力利用率演算手段が算出した後輪横力利用率ξｒに基づいて設定される補正値Ｔｃｒ（操舵抵抗補正トルク設定手段３８で設定する）を加算するようにされており、後輪横力利用率ξｒも加味した操舵抵抗トルクを付加し得るようになっている。
【００１６】
後輪操舵装置７は、操舵ロッド８に与える後輪６の基本舵角δｒを、前輪舵角δｆ、車速Ｖ、およびヨーレイトγに基づいて最適に設定する後輪基本舵角設定手段３１と、操舵ロッド８に作用する軸力Ｆｌを算出するロッド軸力演算手段３２と、後輪６の実横力Ｆｙｒを算出する後輪横力演算手段３３と、ブレーキ液圧から求めた制動力に基づいて後輪６の実前後力Ｆｘｒを算出する後輪前後力演算手段３４と、等価摩擦円データ、後輪実横力Ｆｙｒ、および後輪実前後力Ｆｘｒから、現在の後輪６の横力利用率ξｒを算出する後輪横力利用率演算手段３５と、前輪横力利用率ξｆまたは後輪横力利用率ξｒに応じた後輪６の補正舵角δｃを設定するための後輪補正舵角設定手段３６と、後輪基本舵角設定手段３１と後輪補正舵角設定手段３６との信号の加算値に基づいて操舵ロッド８を駆動するモータ９を制御する後輪用モータ駆動制御手段３７とからなっている。
【００１７】
次に路面摩擦係数μの算出方法について説明する。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δｆ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。
【００１８】
路面からの操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回りの粘性項、慣性項、フリクション項およびモータ４回りのフリクション項は微小なので省略すると、ステアリングシャフト１４からのラック軸力Ｆｐとモータ４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。
【００１９】
先ず、ステアリングシャフト１４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２１ａに操舵トルクセンサ１５の出力Ｔｓを入力して得る。
【００２０】
次にモータ４からのラック軸力Ｆｍは、モータ４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４の電流値Ｉｍ、並びに電圧値Ｖｍをモータ軸力演算手段２１ｂに入力して得る。
【００２１】
ここでモータ４の出力軸トルクＴｍは次式で与えられる。
Ｉｍ：モータ電流
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
【００２２】
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
Ｒｍ：モータ抵抗（設計値・定数）
Ｋｍ：モータの誘導電圧定数
【００２３】
以上により求めたステアリングシャフト１４からのラック軸力Ｆｐとモータ４からのラック軸力Ｆｍとは、実用上は位相補償フィルタ２１ｃを通すことにより、Ｆｐ・Ｆｍ間の位相ずれを補正すると良い。
【００２４】
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、前輪舵角δｆ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／Δδｆと、モデルラック軸力増加率ΔＦｒｍ／Δδｆ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。
【００２５】
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Ｆｘｆを置けば、その時の最大横力Ｆｙｆｍａｘが得られる。
【００２６】
次に図７を参照して前輪１の接地点に加わる実横力Ｆｙｆ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Ｆｙｆとのつり合いは、次式で与えられる。
Ｆｒｃ・Ｌａ＝Ｆｙｆ・Ｔ・ｃｏｓδｆ
すなわち、
Ｆｙ＝Ｆｒｃ・Ｌａ／Ｔ・ｃｏｓδ
但し、Ｌａ：ラック軸３とキングピン軸Ｋとの軸心間距離（設計値・定数）
Ｔ：トレール
δｆ：前輪舵角（舵角センサの出力）
【００２７】
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３９をＥＣＵ１９のメモリーに格納しておき、車速Ｖに基づいて検索する。
【００２８】
このようにして求めた実横力Ｆｙｆと上記の摩擦円から求めた最大横力Ｆｙｆｍａｘとから、横力利用率演算手段２６で次式から前輪１の横力利用率ξｆを算出する。
ξｆ＝Ｆｙｆ／Ｆｙｆｍａｘ
【００２９】
次いで、操舵抵抗トルク設定手段２７、並びに操舵抵抗補正トルク設定手段３８に予め設定されたマップを参照し、前輪横力利用率ξｆ並びに後輪横力利用率ξｒに対応した操舵抵抗トルクＴｃｆ並びに操舵抵抗補正トルクＴｃｒを求める。
【００３０】
なお、後輪最大横力Ｆｙｒｍａｘ、および後輪実横力Ｆｙｒも、上記のラック軸力が操舵ロッド８に対して加わるモータ９からの軸力に代わるだけで、基本的な求め方は前輪のそれと全く同様である。なお、実ラック軸力Ｆｒｃ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。
【００３１】
このようにして決定された操舵抵抗トルクＴｃｆと操舵抵抗補正トルクＴｃｒとの加算値からなる操舵抵抗トルク指令値Ｔｃを、操舵補助トルク設定手段３８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４を制御することにより、低μ路でコーナリングフォースが限界を超えるような（横力利用率ξｆ・ξｒが１以上）過大な操舵を運転者が不用意に行うことを防止するための擬似的な操舵抵抗トルクを発生させるようにモータ４が駆動され、つまりステアリングホイール２が相対的に切り難くなるようにされる。
【００３２】
さて、後輪６の横力利用率ξｒが１を超えると、車体は旋回円の接線に対して内側を向く、つまりスピン傾向となる。そこで本発明では、上述したように、後輪６の横力利用率ξｒが１に近づくに連れてパワーステアリング装置に操舵抵抗力を発生させ、操舵補助力を相対的に減らすものとした。これにより、運転者がステアリングホイール２の切り過ぎを認識して前輪舵角を戻すので、ヨーイングモーメントが減少し、オーバーステア傾向が解消される。
【００３３】
ところで、後輪も操舵する車両においては、上記のように後輪舵角δｒに基づいて後輪横力Ｆｙｒを算出し得るが、後輪が操舵されない車両の場合は、後輪の支持部材の適所にロードセルを設けて後輪の軸方向荷重、つまりサイドフォースを検出すると共に、車速Ｖ、横加速度Ｇｙ、及びヨーレイトγを元に車体スリップ角βを以下の式で算出し、
β＝∫（γ−Ｇ／Ｖ）ｄｔ
サイドフォースと車体スリップ角βとからベクトル計算して後輪横力Ｆｙｒを得れば良い。
【００３４】
なお、上記は路面μに対する横方向グリップ力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、これは摩擦円の大きさによって安定に旋回可能な横加速度の許容値が定まるので、実横加速度値の許容値に対する割合を用いることもできる。
【００３５】
【発明の効果】
このように本発明によれば、滑り易い路面上での車両挙動の安定性をより一層高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される前後輪操舵車両の機械系の概略構成図。
【図２】本発明による制御系の概略構成図。
【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 前輪
２ ステアリングホイール
３ ラック軸
４ 電動モータ
５ 電動パワーステアリング装置
６ 後輪
７ 後輪操舵装置
８ 操舵ロッド
９ 電動モータ
１０ ナックルアーム
１１ タイロッド
１２・１３ 舵角センサ
１４ ステアリングシャフト
１５ 操舵トルクセンサ
１６ 車速センサ
１７ ヨーレイトセンサ
１８ ブレーキ作動センサ
１９ コンピュータユニット
２１ ラック軸力演算手段
２２ 路面摩擦係数演算手段
２３ 等価摩擦円設定手段
２４ 前輪横力演算手段
２５ 前輪前後力演算手段
２６ 前輪横力利用率演算手段
２７ 操舵抵抗トルク設定手段
２８ ステアリングシャフト
２９ 前輪用モータ駆動制御手段
３１ 後輪基本舵角設定手段
３２ ロッド軸力演算手段
３３ 後輪横力演算手段
３４ 後輪前後力演算手段
３５ 後輪横力利用率演算手段
３６ 後輪補正舵角設定手段
３７ 後輪用モータ駆動制御手段
３８ 操舵抵抗補正トルク設定手段
３９ トレールマップ
Claims (2)
- 車両の前輪に舵角を与える操舵系に動力を付加するモータと、該モータに発生させる操舵補助力を制御する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、後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補助力を相対的に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。 - 後輪も操舵される車両に搭載されるものであ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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