JP3689403B2 - 車両用操舵装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両の操舵車輪を操舵する車両用操舵装置に関し、特に、運転者によるハンドル操作量を補償するための自動操舵を実施する場合に必要な副操舵機構を備える車両用操舵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用操舵装置においては、従来より、例えば操舵特性、即ちハンドル回転量に対する実際の車体進行方向の変化が最適になるように、補助的に操舵車輪の向きを自動制御したり、あるいは車両の走行位置が所定の車線内を維持するように運転者に代わって自動的に操舵系を駆動制御することが提案されている。
【０００３】
このような操舵制御を実施する車両用操舵装置として、例えば、ステアリングホイールの回動量に応じた操舵を実現する主操舵機構と、電気的制御可能な副操舵駆動手段の付勢力に応じた操舵を実現する副操舵機構とを備え、ステアリングホイールと結合された操舵入力軸に連結され、その出力トルクが調整自在な補償トルク発生手段；及び副操舵駆動手段の付勢によって操舵入力軸に印加されるトルクを検出し、該トルクに対応する反対向きのトルクをその制御目標値とし、該目標値に従って補償トルク発生手段を制御する、補償トルク制御手段を設けたものがある。（例えば、特許文献１参照）
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−２０６５５３号公報（請求項１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、ハンドルの回転量と、駆動トルクを印加することによりハンドルの回転量を補償する副操舵機構の付勢量とに応じて操舵車輪を操舵する車両用操舵装置において、車輪舵角とハンドルに生じる反力とを独立して制御する装置のハンドル反力制御性を向上させることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る車両用操舵装置は、ハンドルの回転量と、駆動トルクを印加することによりハンドルの回転量を補償する副操舵機構の付勢量とに応じて操舵車輪を操舵する操舵機構を有する車両用操舵装置において、
ハンドルの操舵角を検出するハンドル角検出手段と、
ハンドルと副操舵機構の間に設置されてハンドルに印加されている反力トルクを検出する反力トルク検出手段と、
ハンドルに印加する反力トルクの目標値を生成する目標反力生成手段と、
目標反力生成手段により生成された目標反力トルクと反力トルク検出手段により検出された反力トルクが一致するように副操舵機構に印加する駆動トルクを制御する反力トルク制御手段と、
操舵車輪の車輪舵角を制御する車輪舵角制御機構と、
操舵車輪の車輪舵角に相当する角度を検出する車輪舵角検出手段と、
操舵車輪の目標車輪舵角を生成する目標車輪舵角生成手段と、
目標車輪舵角生成手段により生成された目標車輪舵角と車輪舵角検出手段により検出された車輪舵角が一致するように車輪舵角制御機構を駆動制御する車輪舵角制御手段とを備え、
ハンドル角検出手段により検出されたハンドル角と目標車輪舵角生成手段が生成した目標車輪舵角との偏差に基づくフィードフォワード制御量を、反力トルク制御手段の出力に付加することを特徴とする。
【０００７】
第２の発明に係る車両用操舵装置は、ハンドルの回転量と、駆動トルクを印加することによりハンドルの回転量を補償する副操舵機構の付勢量とに応じて操舵車輪を操舵する操舵機構を有する車両用操舵装置において、
ハンドルの操舵角を検出するハンドル角検出手段と、
ハンドルと副操舵機構の間に設置されてハンドルに印加されている反力トルクを検出する反力トルク検出手段と、
ハンドルに印加する反力トルクの目標値を生成する目標反力生成手段と、
目標反力生成手段により生成された目標反力トルクと反力トルク検出手段により検出された反力トルクが一致するように副操舵機構に印加する駆動トルクを制御する反力トルク制御手段と、
操舵車輪の車輪舵角を制御する車輪舵角制御機構と、
操舵車輪の車輪舵角に相当する角度を検出する車輪舵角検出手段と、
操舵車輪の目標車輪舵角を生成する目標車輪舵角生成手段と、
目標車輪舵角生成手段により生成された目標車輪舵角と車輪舵角検出手段により検出された車輪舵角が一致するように車輪舵角制御機構を駆動制御する車輪舵角制御手段とを備え、
ハンドル角検出手段により検出されたハンドル角と車輪舵角検出手段が検出した車輪舵角との偏差に基づくフィードフォワード制御量を、反力トルク制御手段の出力に付加することを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
前提技術．
図１はこの発明の車両用操舵装置の前提技術を示す構成図である。
【０００９】
図１において、第１の遊星ギア機構２は、運転者が操舵するハンドル１と連結されたサンギア２０１と、キャリア機構２０３にて支持されている遊星ギア２０２ａ，２０２ｂと、リングギア２０４と、リングギア２０４を回転させるためのウォームホイール２０５によって構成されている。
【００１０】
また、第２の遊星ギア機構３は、サンギア３０１と、シャフト４を介して前記第１の遊星ギア機構のキャリア機構２０３と連結されたキャリア機構３０３にて支持されている遊星ギア３０２ａ，３０２ｂと、固定されたリングギア３０４とにより構成される。そして、前記シャフト４は、前記第１の遊星ギア機構２のキャリア機構２０３と、前記第２の遊星ギア機構３のキャリア機構３０３を連結して、動力を伝達する。
【００１１】
ここで、前記第１の遊星ギア機構２、又は前記第１の遊星ギア機構２と前記第２の遊星ギア機構３を併せたものが、前記ハンドル１の回転角に補助舵角を機械的に加算することができる副操舵機構となる。
【００１２】
ラックアンドピニオン方式の操舵車輪制御機構５は、前記第２の遊星ギア機構３のサンギア３０１と機械的に連結されたラックアンドピニオン５０１を有し、車輪舵角制御用アクチュエータとして用いる操舵機構駆動手段９と、ラックアンドピニオン５０１を回転させるための逆転可能なウォームホイール５０２とが接続されている。また、操舵車輪７ａ，７ｂは、ナックルアーム６ａ，６ｂを介して前記ラックアンドピニオン５０１と接続されている。
【００１３】
反カトルク生成手段８は、副操舵機構として動作する前記第１の遊星ギア機構２に駆動トルクを与えることによりハンドル１に反力トルクを与えるものであり、反力用モータ８０１と、前記第１の遊星ギア機構２のウォームホイール２０５に噛み合うウォームギア８０２により構成される。ここで、ウォームホイール２０５からウォームギア８０２は回転できない、つまりセルフロックが掛るように構成されている。
【００１４】
操舵機構駆動手段９は前記操舵車輪制御機構５を駆動するもので、操舵用モータ９０１と、操舵車輪制御機構５のウォームホイール５０２に噛み合うウォームギア９０２とによって構成される。ただし、ウォームホイール５０２とウォームギア９０２の組み合わせは、ウォームホール５０２側からでも回転が可能な構成、即ち、逆転可能な構成である。
【００１５】
反カトルク検出手段１０は前記ハンドル１に生じている反力トルクを検出するセンサであり、車輪舵角検出手段１１は操舵車輪７ａ，７ｂの車輪舵角を検出するセンサであり、ハンドル角検出手段１２はハンドル１の操舵角を検出するセンサである。
【００１６】
目標車輪舵角生成手段１３は、例えばハンドル角検出手段１２の出力１２０１や、他システム（例えば、車線維持装置）からの操舵要求信号２０、車両状態信号（例えば、車速・ヨーレートなど）２１等から、必要な車輪舵角を計算し目標車輪舵角１３０１を生成するものである。
【００１７】
車輪舵角制御手段１４は、目標車輪舵角１３０１と車輪舵角検出手段１１の出力１１０１が等しくなるよう、操舵機構駆動手段９のモータ９０２を駆動して操舵車輪７ａ，７ｂの車輪舵角を制御するものである。
【００１８】
目標反力生成手段１５は、ハンドル１を介して運転者に与える反力トルク目標値を設定するものであり、例えばハンドル角検出手段１２の出力１２０１や、車両状態信号（例えば、車速・ヨーレートなど）１８等から、適当な反力を計算し目標反力トルク１５０１を生成するものである。
【００１９】
反力トルク制御手段１６は、目標反力トルク１５０１と反力トルク検出手段１０の出力１００１が一致するよう、反力用モータ８０２の駆動トルクを制御することによってハンドル１に印加される反カトルクを制御するものである。
【００２０】
次に、上記構成からなる車両用操舵装置における主要動作、つまり運転者がハンドル１を保持した状態で、操舵機構駆動手段９により操舵車輪７ａ，７ｂを操舵する状態における車両用操舵装置の動作について説明する
【００２１】
操舵機構駆動手段９により操舵車輪制御機構５を駆動すると、操舵車輪制御機構５は操舵車輪７ａ，７ｂを操舵する回転を生じると共に、第２の遊星ギア機構３、シャフト４、第１の遊星ギア機構２を介してハンドル１を操舵する運転者に伝わることになる。即ち、運転者が操舵するハンドル１と操舵車輪制御機構５により回転させられるサンギア２０１間にねじれが生じ、反カトルク検出手段１０によりこのねじれが反力トルク１００１として検出される。
【００２２】
ここで、反力トルク検出手段１０により検出された反カトルク１００１が反カトルク制御手段１６へ入力され、反カトルク制御手段１６は入力された反力トルク１００１が所定の値となるように、反カトルク生成手段８により第１の遊星ギア機構２のリングギア２０４を回転させると、ハンドル１とサンギア２０１のねじれ角が反力トルク制御手段１６に与えられている目標反力トルク１５０１相当のねじれとなるよう自動制御されることになる。
【００２３】
即ち、反力トルク１００１を制御することにより、ハンドル１の操舵角と、操舵車輪７ａ，７ｂの操舵角が異なるような動作をさせる場合においても、副操舵角（ハンドル１の操舵角と実操舵角との差に相当する）を求めれば、リングギア２０４の回転角を求める必要はなく、実操舵角とハンドル１に印加される反力トルク１００１を独立して制御することができる。
【００２４】
図２は上記反力トルクの制御を示すブロック線図である。図２に示すように、反力トルク制御手段１６では、目標反力トルク１５０１と反力トルク検出手段１０の出力１００１との偏差を基に、例えばＰＩＤ制御器１６０１を使用して、反力用モータ８への駆動電流を制御することにより、反力トルクを制御して
いる。なお、Ｊは第１の遊星ギア機構２のイナーシャである。
【００２５】
次に、反力トルクの制御動作について詳細に説明する。図３は第１の遊星ギア機構２及び第２の遊星ギア機構３から構成される副操舵機構を含めた機構図であり、反力トルクの制御動作を説明するための機構図である。図４において、θｈはハンドル１の回転角度、θｓは反力トルク検出手段１０の第１の遊星ギア機構２側のシャフト１０１の回転角度、θｒは第１の遊星ギア機構２のリングギア２０４の回転角度、θｃは第１の遊星ギア機構２のキャリア２０３の回転角度、θｐは第２の遊星ギア機構３のサンギア３０１の回転角度（すなわちラックアンドピニオン機構５０１のピニオンの回転角度）である。
【００２６】
反力トルクＴｈは、ハンドル１の回転角度θｈ及びシャフト１０１の回転角度θｓを用いて、
Ｔｈ＝Ｔｓ×（θｈ―θｓ）・・・（式１）
と表わされる。ただし、Ｔｓは、反力検出手段１０として、ハンドル１と連結したトーションバーを内蔵し当該トーションバーのねじれ角を検出するものとした場合の、当該トーションバーのバネ定数（ねじりこわさ）を示す。
【００２７】
また、θｓは、第１の遊星ギア機構２のキャリア２０３の角度θｃとリングギア２０４の角度θｒにより決定される。ここで、第１の遊星ギア機構２を構成するギアの幾何で決定される、キャリア−サンギア減速比をＧｃ、リングギア−サンギア減速比をＧｒとすると、
θｓ＝Ｇｃ×θｃ−Ｇｒ×θｒ・・・（式２）
の関係が成り立つ。
【００２８】
一方、先に説明したように、車輪舵角に相当するピニオン角θｐは、ハンドル角θｈから生成される目標車輪舵角に制御される。また、第２の遊星ギア機構３の構成を、第１の遊星ギア機構２と同等の構成で設置向きが反対とした場合（第１の遊星ギア機構２の減速比と第２の遊星ギア機構３の増速比を掛け合わせた値が１の場合）、
θｃ＝１／Ｇｃ×θｐ・・・（式３）
となる。
【００２９】
上記（式１）〜（式３）より
Ｔｈ＝Ｔｓ×｛（θｈ−θｐ）＋Ｇｒ×θｒ｝・・・（式４）
が成立する。
【００３０】
ここで、目標反力トルク１５０１をＴｒとすると、反力トルク制御手段１６は、Ｔｒ−Ｔｈ＝０が成立するように、リングギア２０４の回転角θｒを制御する。従って、
Ｔｒ−Ｔｈ＝Ｔｒ−Ｔｓ×｛（θｈ−θｐ）＋Ｇｒ×θｒ｝＝０
この式を変形すると、
θr＝Ｔｒ／（Ｔｓ×Ｇｒ）−（θｈ−θｐ）／Ｇｒ・・・（式５）
となるように、反力トルク制御手段１６は、リングギア２０４の回転角θｒを制御する。
【００３１】
以上説明したように、目標反力トルクＴｒと、検出した反力トルクＴｈが等しくなる様にリングギア２０４の回転角度θｒを、反力用モータ８０１を用いて制御することにより、ハンドル角θｈと車輪操舵角に対応するピニオン角θｐとの偏差を吸収している。ここで、ピニオン角θｐは、車輪舵角制御手段１４により反力トルク制御手段１６の動作とは無関係に制御されているので、運転者のハンドル操舵によるハンドル角θｈと車輪舵角制御手段１４により制御されるピニオン角θｐの動きは、反力トルク制御手段１６にとって、上記（式５）からも判るように、大きな外乱要因となる。
【００３２】
この外乱の詳細は、図２の点線部Ｘに示すように、｛ハンドル角θｈ−ピニオン角θｐ｝の変化により生じるリングギア２０４の回転（偏差の１次微分）の際に生じる摩擦トルク、またはリングギア２０４の回転速度の変化に必要な加減速トルク（偏差の２次微分）が、目標反力トルクＴｒと反力トルクＴｈの偏差に応じて、ＰＩＤ制御器１６０１が出力する制御トルク出力値に加算されることにより生じる。そして、この外乱トルクＴｅは下式で示される。
Ｔｅ＝−｛Ｃ×ｄ／ｄｔ（θｈ−θｐ）＋Ｊｒ×ｄ2／ｄｔ2（θｈ−θｐ）｝・・・（式６）
ただし、Ｃはリングギア２０４の回転に起因する係数、Ｊｒはリングギア２０４の回転変動に起因する係数である。
【００３３】
従って、この外乱を抑制するには、反力トルク制御手段１６の制御ゲインを大きくするか、車輪舵角制御手段１４の動作に合わせて反力トルク制御手段１６の制御ゲインを可変する必要がある。しかしながら、反力トルク制御手段１６の制御ゲインを大きくすると、ハンドル１に不快な振動が生じたり、最悪制御系が発振するといった課題がある。また、制御ゲインを可変にした場合は、車輪舵角制御手段１４の制御内容を判定して制御ゲインを可変にするといったように、制御系の構成が複雑になるといった課題がある。またこの場合においても、ハンドルに不快な振動が生じるといった課題がある。
【００３４】
本発明は、上記課題を解決するものであり、前提技術に記載した車両用操舵装置、すなわち、副操舵機構を備え車輪舵角とハンドル反力とを独立して制御する車両用操舵装置において、車輪舵角制御が反力トルク制御に与える影響を抑制し、ひいては、反力トルク制御を安定させ、操舵フィーリングの良い装置を提供することを目的とする。
【００３５】
実施の形態１．
図４はこの発明の実施の形態１に係る車両用操舵装置を示す構成図である。図において、フィードフォワード補償手段（以下、ＦＦ補償手段と略す）１７は、ハンドル角検出手段１２の出力であるハンドル操舵角１２０１と、目標車輪舵角生成手段１３の出力である目標車輪舵角１３０１を入力し、所定の演算が施されたフィードフォワード制御量１７０１を出力するものである。前記フィードフォワード制御量１７０１は、反力トルク制御手段１６の出力に加算されて、反力用モータ８を駆動する。なお、その他の構成は図１と同様であるので説明を省略する。
【００３６】
図５は実施の形態１における反力トルクの制御動作を説明するためのブロック線図である。図５に基づいて
、ＦＦ補償手段１７の動作を説明する。ＦＦ補償手段１７には、ハンドル角検出手段１２の出力１２０１（θｈ）と、目標車輪舵角生成手段１３の出力１３０１（θｒｅｆ）が入力され、加算部１７０２にてその偏差（θｈ−θｒｅｆ）が計算される。この偏差は、微分部１７０３に入力されて時間微分が計算され、さらに前提技術で説明したリングギア２０４の回転に伴って生じる摩擦外乱を補償するような係数Ｃ’が乗算部１７０４で乗じられ、
Ｃ’×ｄ／ｄｔ（θｈ−θｒｅｆ）・・・（式７）
が算出される。
【００３７】
また、微分部１７０３で時間微分された偏差｛ｄ／ｄｔ（θｈ−θｒｅｆ）｝は、さらに微分部１７０５で時間微分され、リングギア２０４の回転変動に起因する外乱を補償するような係数Ｊｒ’が乗算部１７０６で乗じられ、
Ｊｒ’×ｄ2／ｄｔ2 （θｈ−θｒｅｆ）・・・（式８）
が算出される。
【００３８】
これら２つの計算結果を加えた値、
｛Ｃ’×ｄ／ｄｔ（θｈ−θｒｅｆ）＋Ｊｒ’×ｄ2／ｄｔ2 （θｈ−θｒｅｆ）｝
が、ＦＦ補償手段１７のフィードフォワード制御量１７０１となる。このフィードフォワード制御量１７０１は、反力トルク制御手段出力１６０１に加算され、反力用モータ８０１を駆動する。
【００３９】
リングギア２０４の回転に起因する外乱は、（式６）に示したように、
Ｔｅ＝−｛Ｃ×ｄ／ｄｔ（θｈ−θｐ）＋Ｊｒ×ｄ2／ｄｔ2（θｈ−θｐ）｝
である。そして、この式の（θｈ−θｐ）はハンドル操舵角とピニオン舵角の偏差である。この偏差は、ＦＦ補償手段１７の加算部１７０２にて計算される（θｈ−θｒｅｆ）に相当するので、上記フィードフォワード制御量１７０１の出力
Ｔｆｆ＝｛Ｃ’×ｄ／ｄｔ（θｈ−θｒｅｆ）＋Ｊｒ’×ｄ2／ｄｔ2 （θｈ−θｒｅｆ）｝・・・（式９）
を、反力制御手段１６の制御出力に加算することにより、（式６）に示す外乱が抑制できる。
【００４０】
以上のように実施の形態１によれば、ハンドル角検出手段１２の出力１２０１と目標車輪舵角生成手段１３の出力１３０１の偏差に基づくフィードフォワード制御量を、反力トルク制御手段１６の出力に付加したので、ハンドル角θｈとピニオン角θｐの偏差に起因する反力トルク制御系への外乱を抑圧することができ、反力トルク制御手段１６の制御ゲインを大きくしなくても、反力トルク制御を安定させ、操舵フィーリングの良い車両用操舵装置を得ることができる。また、目標車輪舵角生成手段１３の出力１３０１（目標車輪舵角θｒｅｆ）を使用することで、車輪舵角検出手段１１の出力１１０１を使用する場合より、近い将来を予見した目標値に基づいて対応できる効果がある。
【００４１】
特に、フィードフォワード制御量として、ハンドル角検出手段１２の出力１２０１と目標車輪舵角生成手段１３の出力１３０１の偏差の時間微分、並びに偏差の２階時間微分に基づくように構成したので、ハンドル角（θｈ）とピニオン角（θｐ）の偏差に起因するリングギア２０４の回転に伴う摩擦外乱を補償して、反力トルク制御系への外乱を抑制することができるとともに、ハンドル角（θｈ）とピニオン角（θｐ）の偏差に起因するリングギア２０４の回転変化に伴う外乱を補償して、反力トルク制御系への外乱を抑制することができる。その結果、反力トルク制御手段の制御ゲインを大きくしなくても、反力トルク制御を安定させ、操舵フィーリングの良い車両用操舵装置を得ることができる。
【００４２】
上記実施の形態では、ハンドル角検出手段１２の出力１２０１と目標車輪舵角生成手段１３の出力１３０１の偏差の時間微分、並びに偏差の２階時間微分の双方を利用して外乱補償を行うようにしたが、いずれか一方のみを利用してもそれぞれの項目に対応する外乱が抑制できる。
【００４３】
まず、ハンドル角検出手段１２の出力１２０１と目標車輪舵角生成手段１３の出力１３０１の偏差の時間微分に基づいて外乱補償を行う、つまり、図５において、
Ｔｆｆ1＝｛Ｃ’×ｄ／ｄｔ（θｈ−θｒｅｆ）｝・・・（式９−１）
をＦＦ補償手段１７のフィードフォワード制御量１７０１として、反力トルク制御手段出力１６０１に加算し、反力用モータ８０１を駆動するように構成する。それにより、ハンドル角（θｈ）とピニオン角（θｐ）の偏差に起因するリングギア２０４の回転に伴う摩擦外乱を補償して、反力トルク制御系への外乱を抑制することができる。
【００４４】
次に、ハンドル角検出手段１２の出力１２０１と目標車輪舵角生成手段１３の出力１３０１の偏差の２階時間微分に基づいて外乱補償を行う、つまり、図５において、
Ｔｆｆ2＝｛Ｊｒ’×ｄ2／ｄｔ2 （θｈ−θｒｅｆ）｝・・・（式９−２）
をＦＦ補償手段１７のフィードフォワード制御量１７０１として、反力トルク制御手段出力１６０１に加算し、反力用モータ８０１を駆動するように構成する。それにより、ハンドル角（θｈ）とピニオン角（θｐ）の偏差に起因するリングギア２０４の回転変化に伴う外乱を補償して、反力トルク制御系への外乱を抑制することができる。
【００４５】
なお、上記説明では、フィードフォワード制御量１７０１として、ハンドル角検出手段の出力１２０１と目標車輪舵角生成手段の出力１３０１との偏差の時間微分である｛ｄ／ｄｔ（θｈ−θｒｅｆ）｝、又は、ハンドル角検出手段の出力１２０１と目標車輪舵角生成手段の出力１３０１との偏差の２階時間微分である｛ｄ2／ｄｔ2 （θｈ−θｒｅｆ）｝に基づいてフィードフォワード制御量１７０１を算出したが、ハンドル角検出手段の出力１２０１と目標車輪舵角生成手段の出力１３０１のそれぞれの時間微分の偏差である｛ｄ／ｄｔ（θｈ）−ｄ／ｄｔ（θｒｅｆ）｝、又は、ハンドル角検出手段の出力（θｈ）と目標車輪舵角生成手段の出力（θｒｅｆ）のそれぞれの２階時間微分の偏差である｛ｄ2／ｄｔ2（θｈ）−ｄ2／ｄｔ2 （θｒｅｆ）｝に基づいてフィードフォワード制御量１７０１を算出しても良いのは、言うまでもない。
【００４６】
実施の形態２．
実施の形態１では、ハンドル角検出手段の出力と目標車輪舵角生成手段の出力の偏差に基づくフィードフォワード制御量を反力トルク制御手段の出力に付加するようにしたが、実施の形態２では、ハンドル角検出手段の出力と車輪舵角検出手段の出力の偏差に基づくフィードフォワード制御量を反力トルク制御手段の出力に付加するようにする。
【００４７】
図６はこの発明の実施の形態２に係る車両用操舵装置を示す構成図である。図において、ＦＦ補償手段１７は、ハンドル角検出手段１２の出力であるハンドル操舵角１２０１と、車輪舵角検出手段１１の出力である車輪舵角１１０１を入力し、所定の演算が施されたフィードフォワード制御量１７０１を出力するものである。前記フィードフォワード制御量１７０１は、反力トルク制御手段１６の出力に加算されて、反力用モータ８を駆動する。なお、その他の構成は図１と同様であるので説明を省略する。
【００４８】
図７は実施の形態２における反力トルクの制御動作を説明するためのブロック線図である。図７に基づいて
、ＦＦ補償手段１７の動作を説明する。ＦＦ補償手段１７には、ハンドル角検出手段１２の出力１２０１（θｈ）と、車輪舵角検出手段１１の出力１１０１（θｐ）が入力され、加算部１７０２にてその偏差（θｈ−θｐ）が計算される。この偏差は、微分部１７０３に入力されて時間微分が計算され、さらに前提技術で説明したリングギア２０４の回転に伴って生じる摩擦外乱を補償するような係数Ｃ’が乗算部１７０４で乗じられ、
Ｃ’×ｄ／ｄｔ（θｈ−θｐ）・・・（式７’）
が算出される。
【００４９】
また、微分部１７０３で時間微分された偏差｛ｄ／ｄｔ（θｈ−θｐ）｝は、さらに微分部１７０５で時間微分され、リングギア２０４の回転変動に起因する外乱を補償するような係数Ｊｒ’が乗算部１７０６で乗じられ、
Ｊｒ’×ｄ2／ｄｔ2 （θｈ−θｐ）・・・（式８’）
が算出される。
【００５０】
これら２つの計算結果を加えた値、
｛Ｃ’×ｄ／ｄｔ（θｈ−θｐ）＋Ｊｒ’×ｄ2／ｄｔ2 （θｈ−θｐ）｝
が、ＦＦ補償手段１７のフィードフォワード制御量１７０１となる。このフィードフォワード制御量１７０１は、反力トルク制御手段出力１６０１に加算され、反力用モータ８０１を駆動する。
【００５１】
リングギア２０４の回転に起因する外乱は、（式６）に示したように、
Ｔｅ＝−｛Ｃ×ｄ／ｄｔ（θｈ−θｐ）＋Ｊｒ×ｄ2／ｄｔ2（θｈ−θｐ）｝
である。一方、フィードフォワード制御量１７０１の出力は
Ｔｆｆ＝｛Ｃ’×ｄ／ｄｔ（θｈ−θｒｅｆ）＋Ｊｒ’×ｄ2／ｄｔ2 （θｈ−θｒｅｆ）｝・・・（式９’）
であるので、この値を反力制御手段１６の制御出力に加算することにより、（式６）に示す外乱が抑制できる。
【００５２】
以上のように実施の形態２によれば、ハンドル角検出手段１２の出力１２０１と車輪舵角検出手段１１の出力１１０１の偏差に基づくフィードフォワード制御量を、反力トルク制御手段１６の出力に付加したので、ハンドル角θｈとピニオン角θｐの偏差に起因する反力トルク制御系への外乱を抑圧することができ、反力トルク制御手段１６の制御ゲインを大きくしなくても、反力トルク制御を安定させ、操舵フィーリングの良い車両用操舵装置を得ることができる。
【００５３】
特に、フィードフォワード制御量として、ハンドル角検出手段１２の出力１２０１と目標車輪舵角生成手段１３の出力１３０１の偏差の時間微分、並びに偏差の２階時間微分に基づくように構成したので、ハンドル角（θｈ）とピニオン角（θｐ）の偏差に起因するリングギア２０４の回転に伴う摩擦外乱を補償して、反力トルク制御系への外乱を抑制することができるとともに、ハンドル角（θｈ）とピニオン角（θｐ）の偏差に起因するリングギア２０４の回転変化に伴う外乱を補償して、反力トルク制御系への外乱を抑制することができる。その結果、反力トルク制御手段の制御ゲインを大きくしなくても、反力トルク制御を安定させ、操舵フィーリングの良い車両用操舵装置を得ることができる。
【００５４】
上記実施の形態では、ハンドル角検出手段１２の出力１２０１と車輪舵角検出手段１１の出力１１０１の偏差の時間微分、並びに偏差の２階時間微分の双方を利用して外乱補償を行うようにしたが、いずれか一方のみを利用してもそれぞれの項目に対応する外乱が抑制できる。
【００５５】
まず、ハンドル角検出手段１２の出力１２０１と車輪舵角検出手段１１の出力１１０１の偏差の時間微分に基づいて外乱補償を行う、つまり、図７において、
Ｔｆｆ1＝｛Ｃ’×ｄ／ｄｔ（θｈ−θｐ）｝・・・（式９’−１）
をＦＦ補償手段１７のフィードフォワード制御量１７０１として、反力トルク制御手段出力１６０１に加算し、反力用モータ８０１を駆動するように構成する。それにより、ハンドル角（θｈ）とピニオン角（θｐ）の偏差に起因するリングギア２０４の回転に伴う摩擦外乱を補償して、反力トルク制御系への外乱を抑制することができる。
【００５６】
次に、ハンドル角検出手段１２の出力１２０１と車輪舵角検出手段１１の出力１１０１の偏差の２階時間微分に基づいて外乱補償を行う、つまり、図７において、
Ｔｆｆ2＝｛Ｊｒ’×ｄ2／ｄｔ2 （θｈ−θｐ）｝・・・（式９’−２）
をＦＦ補償手段１７のフィードフォワード制御量１７０１として、反力トルク制御手段出力１６０１に加算し、反力用モータ８０１を駆動するように構成する。それにより、ハンドル角（θｈ）とピニオン角（θｐ）の偏差に起因するリングギア２０４の回転変化に伴う外乱を補償して、反力トルク制御系への外乱を抑制することができる。
【００５７】
なお、上記説明では、フィードフォワード制御量１７０１として、ハンドル角検出手段の出力１２０１と車輪舵角検出手段の出力１１０１との偏差の時間微分である｛ｄ／ｄｔ（θｈ−θｐ）｝、又は、ハンドル角検出手段の出力１２０１と車輪舵角検出手段の出力１１０１との偏差の２階時間微分である｛ｄ2／ｄｔ2（θｈ−θｐ）｝に基づいてフィードフォワード制御量１７０１を算出したが、ハンドル角検出手段の出力１２０１と車輪舵角検出手段の出力１１０１のそれぞれの時間微分の偏差である｛ｄ／ｄｔ（θｈ）−ｄ／ｄｔ（ｐ）｝、又は、ハンドル角検出手段の出力１２０１と車輪舵角検出手段の出力１１０１のそれぞれの２階時間微分の偏差である｛ｄ2／ｄｔ2 （θｈ）−ｄ2／ｄｔ2 （θｐ）｝に基づいてフィードフォワード制御量１７０１を算出しても良いのは、言うまでもない。
【００５８】
【発明の効果】
第１の発明によれば、運転者が操作するハンドルと副操舵機構により操舵輪を操舵する操舵機構を有し、車輪舵角とハンドル反力とを独立して制御できる車両用操舵装置において、ハンドル角検出手段の出力と目標車輪舵角生成手段の出力との偏差に基づくフィードフォワード制御量を、反力トルク制御手段の出力に付加するようにしたので、ハンドル角とピニオン角の偏差に起因する反力トルク制御系への外乱を抑圧することができる。その結果、反力トルク制御手段の制御ゲインを大きくしなくても、反力トルク制御を安定させ、操舵フィーリングの良い車両用操舵装置を得ることができる。
【００５９】
第２の発明によれば、運転者が操作するハンドルと副操舵機構により操舵輪を操舵する操舵機構を有し、車輪舵角とハンドル反力とを独立して制御できる車両用操舵装置において、ハンドル角検出手段の出力と車輪舵角検出手段の出力との偏差に基づくフィードフォワード制御量を、反力トルク制御手段の出力に付加するようにしたので、ハンドル角とピニオン角の偏差に起因する反力トルク制御系への外乱を抑圧することができる。その結果、反力トルク制御手段の制御ゲインを大きくしなくても、反力トルク制御を安定させ、操舵フィーリングの良い操舵装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の前提技術に係る車両用操舵装置を示す構成図である。
【図２】 この発明の前提技術における反力トルクの制御動作を示すブロック線図である。
【図３】 この発明の前提技術における反力トルクの制御動作を説明するための機構図である。
【図４】 この発明の実施の形態１に係る車両用操舵装置を示す構成図である。
【図５】 この発明の実施の形態１における反力トルクの制御動作を説明するためのブロック線図である。
【図６】 この発明の実施の形態２に係る車両用操舵装置を示す構成図である。
【図７】 この発明の実施の形態２における反力トルクの制御動作を説明するためのブロック線図である。
【符号の説明】
１ ハンドル、２ 副操舵機構を構成する第１の遊星ギア機構、３ 副操舵機構を構成する第２の遊星ギア機構、４ シャフト、５ 車輪舵角制御機構、７ａ，ｂ 操舵輪、８ 反力トルク生成手段、９ 操舵機構駆動手段、１０ 反力トルク検出手段、１１ 車輪舵角検出手段、１２ ハンドル角検出手段、１３ 目標車輪舵角生成手段、１４ 車輪舵角制御手段、１５ 目標反力生成手段、１６反力トルク制御手段、１７ フィードフォワード補償手段。
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両の操舵車輪を操舵する車両用操舵装置に関し、特に、運転者によるハンドル操作量を補償するための自動操舵を実施する場合に必要な副操舵機構を備える車両用操舵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用操舵装置においては、従来より、例えば操舵特性、即ちハンドル回転量に対する実際の車体進行方向の変化が最適になるように、補助的に操舵車輪の向きを自動制御したり、あるいは車両の走行位置が所定の車線内を維持するように運転者に代わって自動的に操舵系を駆動制御することが提案されている。
【０００３】
このような操舵制御を実施する車両用操舵装置として、例えば、ステアリングホイールの回動量に応じた操舵を実現する主操舵機構と、電気的制御可能な副操舵駆動手段の付勢力に応じた操舵を実現する副操舵機構とを備え、ステアリングホイールと結合された操舵入力軸に連結され、その出力トルクが調整自在な補償トルク発生手段；及び副操舵駆動手段の付勢によって操舵入力軸に印加されるトルクを検出し、該トルクに対応する反対向きのトルクをその制御目標値とし、該目標値に従って補償トルク発生手段を制御する、補償トルク制御手段を設けたものがある。（例えば、特許文献１参照）
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−２０６５５３号公報（請求項１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、ハンドルの回転量と、駆動トルクを印加することによりハンドルの回転量を補償する副操舵機構の付勢量とに応じて操舵車輪を操舵する車両用操舵装置において、車輪舵角とハンドルに生じる反力とを独立して制御する装置のハンドル反力制御性を向上させることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る車両用操舵装置は、ハンドルの回転量と、駆動トルクを印加することによりハンドルの回転量を補償する副操舵機構の付勢量とに応じて操舵車輪を操舵する操舵機構を有する車両用操舵装置において、
ハンドルの操舵角を検出するハンドル角検出手段と、
ハンドルと副操舵機構の間に設置されてハンドルに印加されている反力トルクを検出する反力トルク検出手段と、
ハンドルに印加する反力トルクの目標値を生成する目標反力生成手段と、
目標反力生成手段により生成された目標反力トルクと反力トルク検出手段により検出された反力トルクが一致するように副操舵機構に印加する駆動トルクを制御する反力トルク制御手段と、
操舵車輪の車輪舵角を制御する車輪舵角制御機構と、
操舵車輪の車輪舵角に相当する角度を検出する車輪舵角検出手段と、
操舵車輪の目標車輪舵角を生成する目標車輪舵角生成手段と、
目標車輪舵角生成手段により生成された目標車輪舵角と車輪舵角検出手段により検出された車輪舵角が一致するように車輪舵角制御機構を駆動制御する車輪舵角制御手段とを備え、
ハンドル角検出手段により検出されたハンドル角と目標車輪舵角生成手段が生成した目標車輪舵角との偏差に基づくフィードフォワード制御量を、反力トルク制御手段の出力に付加することを特徴とする。
【０００７】
第２の発明に係る車両用操舵装置は、ハンドルの回転量と、駆動トルクを印加することによりハンドルの回転量を補償する副操舵機構の付勢量とに応じて操舵車輪を操舵する操舵機構を有する車両用操舵装置において、
ハンドルの操舵角を検出するハンドル角検出手段と、
ハンドルと副操舵機構の間に設置されてハンドルに印加されている反力トルクを検出する反力トルク検出手段と、
ハンドルに印加する反力トルクの目標値を生成する目標反力生成手段と、
目標反力生成手段により生成された目標反力トルクと反力トルク検出手段により検出された反力トルクが一致するように副操舵機構に印加する駆動トルクを制御する反力トルク制御手段と、
操舵車輪の車輪舵角を制御する車輪舵角制御機構と、
操舵車輪の車輪舵角に相当する角度を検出する車輪舵角検出手段と、
操舵車輪の目標車輪舵角を生成する目標車輪舵角生成手段と、
目標車輪舵角生成手段により生成された目標車輪舵角と車輪舵角検出手段により検出された車輪舵角が一致するように車輪舵角制御機構を駆動制御する車輪舵角制御手段とを備え、
ハンドル角検出手段により検出されたハンドル角と車輪舵角検出手段が検出した車輪舵角との偏差に基づくフィードフォワード制御量を、反力トルク制御手段の出力に付加することを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
前提技術．
図１はこの発明の車両用操舵装置の前提技術を示す構成図である。
【０００９】
図１において、第１の遊星ギア機構２は、運転者が操舵するハンドル１と連結されたサンギア２０１と、キャリア機構２０３にて支持されている遊星ギア２０２ａ，２０２ｂと、リングギア２０４と、リングギア２０４を回転させるためのウォームホイール２０５によって構成されている。
【００１０】
また、第２の遊星ギア機構３は、サンギア３０１と、シャフト４を介して前記第１の遊星ギア機構のキャリア機構２０３と連結されたキャリア機構３０３にて支持されている遊星ギア３０２ａ，３０２ｂと、固定されたリングギア３０４とにより構成される。そして、前記シャフト４は、前記第１の遊星ギア機構２のキャリア機構２０３と、前記第２の遊星ギア機構３のキャリア機構３０３を連結して、動力を伝達する。
【００１１】
ここで、前記第１の遊星ギア機構２、又は前記第１の遊星ギア機構２と前記第２の遊星ギア機構３を併せたものが、前記ハンドル１の回転角に補助舵角を機械的に加算することができる副操舵機構となる。
【００１２】
ラックアンドピニオン方式の操舵車輪制御機構５は、前記第２の遊星ギア機構３のサンギア３０１と機械的に連結されたラックアンドピニオン５０１を有し、車輪舵角制御用アクチュエータとして用いる操舵機構駆動手段９と、ラックアンドピニオン５０１を回転させるための逆転可能なウォームホイール５０２とが接続されている。また、操舵車輪７ａ，７ｂは、ナックルアーム６ａ，６ｂを介して前記ラックアンドピニオン５０１と接続されている。
【００１３】
反カトルク生成手段８は、副操舵機構として動作する前記第１の遊星ギア機構２に駆動トルクを与えることによりハンドル１に反力トルクを与えるものであり、反力用モータ８０１と、前記第１の遊星ギア機構２のウォームホイール２０５に噛み合うウォームギア８０２により構成される。ここで、ウォームホイール２０５からウォームギア８０２は回転できない、つまりセルフロックが掛るように構成されている。
【００１４】
操舵機構駆動手段９は前記操舵車輪制御機構５を駆動するもので、操舵用モータ９０１と、操舵車輪制御機構５のウォームホイール５０２に噛み合うウォームギア９０２とによって構成される。ただし、ウォームホイール５０２とウォームギア９０２の組み合わせは、ウォームホール５０２側からでも回転が可能な構成、即ち、逆転可能な構成である。
【００１５】
反カトルク検出手段１０は前記ハンドル１に生じている反力トルクを検出するセンサであり、車輪舵角検出手段１１は操舵車輪７ａ，７ｂの車輪舵角を検出するセンサであり、ハンドル角検出手段１２はハンドル１の操舵角を検出するセンサである。
【００１６】
目標車輪舵角生成手段１３は、例えばハンドル角検出手段１２の出力１２０１や、他システム（例えば、車線維持装置）からの操舵要求信号２０、車両状態信号（例えば、車速・ヨーレートなど）２１等から、必要な車輪舵角を計算し目標車輪舵角１３０１を生成するものである。
【００１７】
車輪舵角制御手段１４は、目標車輪舵角１３０１と車輪舵角検出手段１１の出力１１０１が等しくなるよう、操舵機構駆動手段９のモータ９０２を駆動して操舵車輪７ａ，７ｂの車輪舵角を制御するものである。
【００１８】
目標反力生成手段１５は、ハンドル１を介して運転者に与える反力トルク目標値を設定するものであり、例えばハンドル角検出手段１２の出力１２０１や、車両状態信号（例えば、車速・ヨーレートなど）１８等から、適当な反力を計算し目標反力トルク１５０１を生成するものである。
【００１９】
反力トルク制御手段１６は、目標反力トルク１５０１と反力トルク検出手段１０の出力１００１が一致するよう、反力用モータ８０２の駆動トルクを制御することによってハンドル１に印加される反カトルクを制御するものである。
【００２０】
次に、上記構成からなる車両用操舵装置における主要動作、つまり運転者がハンドル１を保持した状態で、操舵機構駆動手段９により操舵車輪７ａ，７ｂを操舵する状態における車両用操舵装置の動作について説明する
【００２１】
操舵機構駆動手段９により操舵車輪制御機構５を駆動すると、操舵車輪制御機構５は操舵車輪７ａ，７ｂを操舵する回転を生じると共に、第２の遊星ギア機構３、シャフト４、第１の遊星ギア機構２を介してハンドル１を操舵する運転者に伝わることになる。即ち、運転者が操舵するハンドル１と操舵車輪制御機構５により回転させられるサンギア２０１間にねじれが生じ、反カトルク検出手段１０によりこのねじれが反力トルク１００１として検出される。
【００２２】
ここで、反力トルク検出手段１０により検出された反カトルク１００１が反カトルク制御手段１６へ入力され、反カトルク制御手段１６は入力された反力トルク１００１が所定の値となるように、反カトルク生成手段８により第１の遊星ギア機構２のリングギア２０４を回転させると、ハンドル１とサンギア２０１のねじれ角が反力トルク制御手段１６に与えられている目標反力トルク１５０１相当のねじれとなるよう自動制御されることになる。
【００２３】
即ち、反力トルク１００１を制御することにより、ハンドル１の操舵角と、操舵車輪７ａ，７ｂの操舵角が異なるような動作をさせる場合においても、副操舵角（ハンドル１の操舵角と実操舵角との差に相当する）を求めれば、リングギア２０４の回転角を求める必要はなく、実操舵角とハンドル１に印加される反力トルク１００１を独立して制御することができる。
【００２４】
図２は上記反力トルクの制御を示すブロック線図である。図２に示すように、反力トルク制御手段１６では、目標反力トルク１５０１と反力トルク検出手段１０の出力１００１との偏差を基に、例えばＰＩＤ制御器１６０１を使用して、反力用モータ８への駆動電流を制御することにより、反力トルクを制御して
いる。なお、Ｊは第１の遊星ギア機構２のイナーシャである。
【００２５】
次に、反力トルクの制御動作について詳細に説明する。図３は第１の遊星ギア機構２及び第２の遊星ギア機構３から構成される副操舵機構を含めた機構図であり、反力トルクの制御動作を説明するための機構図である。図４において、θｈはハンドル１の回転角度、θｓは反力トルク検出手段１０の第１の遊星ギア機構２側のシャフト１０１の回転角度、θｒは第１の遊星ギア機構２のリングギア２０４の回転角度、θｃは第１の遊星ギア機構２のキャリア２０３の回転角度、θｐは第２の遊星ギア機構３のサンギア３０１の回転角度（すなわちラックアンドピニオン機構５０１のピニオンの回転角度）である。
【００２６】
反力トルクＴｈは、ハンドル１の回転角度θｈ及びシャフト１０１の回転角度θｓを用いて、
Ｔｈ＝Ｔｓ×（θｈ―θｓ）・・・（式１）
と表わされる。ただし、Ｔｓは、反力検出手段１０として、ハンドル１と連結したトーションバーを内蔵し当該トーションバーのねじれ角を検出するものとした場合の、当該トーションバーのバネ定数（ねじりこわさ）を示す。
【００２７】
また、θｓは、第１の遊星ギア機構２のキャリア２０３の角度θｃとリングギア２０４の角度θｒにより決定される。ここで、第１の遊星ギア機構２を構成するギアの幾何で決定される、キャリア−サンギア減速比をＧｃ、リングギア−サンギア減速比をＧｒとすると、
θｓ＝Ｇｃ×θｃ−Ｇｒ×θｒ・・・（式２）
の関係が成り立つ。
【００２８】
一方、先に説明したように、車輪舵角に相当するピニオン角θｐは、ハンドル角θｈから生成される目標車輪舵角に制御される。また、第２の遊星ギア機構３の構成を、第１の遊星ギア機構２と同等の構成で設置向きが反対とした場合（第１の遊星ギア機構２の減速比と第２の遊星ギア機構３の増速比を掛け合わせた値が１の場合）、
θｃ＝１／Ｇｃ×θｐ・・・（式３）
となる。
【００２９】
上記（式１）〜（式３）より
Ｔｈ＝Ｔｓ×｛（θｈ−θｐ）＋Ｇｒ×θｒ｝・・・（式４）
が成立する。
【００３０】
ここで、目標反力トルク１５０１をＴｒとすると、反力トルク制御手段１６は、Ｔｒ−Ｔｈ＝０が成立するように、リングギア２０４の回転角θｒを制御する。従って、
Ｔｒ−Ｔｈ＝Ｔｒ−Ｔｓ×｛（θｈ−θｐ）＋Ｇｒ×θｒ｝＝０
この式を変形すると、
θr＝Ｔｒ／（Ｔｓ×Ｇｒ）−（θｈ−θｐ）／Ｇｒ・・・（式５）
となるように、反力トルク制御手段１６は、リングギア２０４の回転角θｒを制御する。
【００３１】
以上説明したように、目標反力トルクＴｒと、検出した反力トルクＴｈが等しくなる様にリングギア２０４の回転角度θｒを、反力用モータ８０１を用いて制御することにより、ハンドル角θｈと車輪操舵角に対応するピニオン角θｐとの偏差を吸収している。ここで、ピニオン角θｐは、車輪舵角制御手段１４により反力トルク制御手段１６の動作とは無関係に制御されているので、運転者のハンドル操舵によるハンドル角θｈと車輪舵角制御手段１４により制御されるピニオン角θｐの動きは、反力トルク制御手段１６にとって、上記（式５）からも判るように、大きな外乱要因となる。
【００３２】
この外乱の詳細は、図２の点線部Ｘに示すように、｛ハンドル角θｈ−ピニオン角θｐ｝の変化により生じるリングギア２０４の回転（偏差の１次微分）の際に生じる摩擦トルク、またはリングギア２０４の回転速度の変化に必要な加減速トルク（偏差の２次微分）が、目標反力トルクＴｒと反力トルクＴｈの偏差に応じて、ＰＩＤ制御器１６０１が出力する制御トルク出力値に加算されることにより生じる。そして、この外乱トルクＴｅは下式で示される。
Ｔｅ＝−｛Ｃ×ｄ／ｄｔ（θｈ−θｐ）＋Ｊｒ×ｄ2／ｄｔ2（θｈ−θｐ）｝・・・（式６）
ただし、Ｃはリングギア２０４の回転に起因する係数、Ｊｒはリングギア２０４の回転変動に起因する係数である。
【００３３】
従って、この外乱を抑制するには、反力トルク制御手段１６の制御ゲインを大きくするか、車輪舵角制御手段１４の動作に合わせて反力トルク制御手段１６の制御ゲインを可変する必要がある。しかしながら、反力トルク制御手段１６の制御ゲインを大きくすると、ハンドル１に不快な振動が生じたり、最悪制御系が発振するといった課題がある。また、制御ゲインを可変にした場合は、車輪舵角制御手段１４の制御内容を判定して制御ゲインを可変にするといったように、制御系の構成が複雑になるといった課題がある。またこの場合においても、ハンドルに不快な振動が生じるといった課題がある。
【００３４】
本発明は、上記課題を解決するものであり、前提技術に記載した車両用操舵装置、すなわち、副操舵機構を備え車輪舵角とハンドル反力とを独立して制御する車両用操舵装置において、車輪舵角制御が反力トルク制御に与える影響を抑制し、ひいては、反力トルク制御を安定させ、操舵フィーリングの良い装置を提供することを目的とする。
【００３５】
実施の形態１．
図４はこの発明の実施の形態１に係る車両用操舵装置を示す構成図である。図において、フィードフォワード補償手段（以下、ＦＦ補償手段と略す）１７は、ハンドル角検出手段１２の出力であるハンドル操舵角１２０１と、目標車輪舵角生成手段１３の出力である目標車輪舵角１３０１を入力し、所定の演算が施されたフィードフォワード制御量１７０１を出力するものである。前記フィードフォワード制御量１７０１は、反力トルク制御手段１６の出力に加算されて、反力用モータ８を駆動する。なお、その他の構成は図１と同様であるので説明を省略する。
【００３６】
図５は実施の形態１における反力トルクの制御動作を説明するためのブロック線図である。図５に基づいて
、ＦＦ補償手段１７の動作を説明する。ＦＦ補償手段１７には、ハンドル角検出手段１２の出力１２０１（θｈ）と、目標車輪舵角生成手段１３の出力１３０１（θｒｅｆ）が入力され、加算部１７０２にてその偏差（θｈ−θｒｅｆ）が計算される。この偏差は、微分部１７０３に入力されて時間微分が計算され、さらに前提技術で説明したリングギア２０４の回転に伴って生じる摩擦外乱を補償するような係数Ｃ’が乗算部１７０４で乗じられ、
Ｃ’×ｄ／ｄｔ（θｈ−θｒｅｆ）・・・（式７）
が算出される。
【００３７】
また、微分部１７０３で時間微分された偏差｛ｄ／ｄｔ（θｈ−θｒｅｆ）｝は、さらに微分部１７０５で時間微分され、リングギア２０４の回転変動に起因する外乱を補償するような係数Ｊｒ’が乗算部１７０６で乗じられ、
Ｊｒ’×ｄ2／ｄｔ2 （θｈ−θｒｅｆ）・・・（式８）
が算出される。
【００３８】
これら２つの計算結果を加えた値、
｛Ｃ’×ｄ／ｄｔ（θｈ−θｒｅｆ）＋Ｊｒ’×ｄ2／ｄｔ2 （θｈ−θｒｅｆ）｝
が、ＦＦ補償手段１７のフィードフォワード制御量１７０１となる。このフィードフォワード制御量１７０１は、反力トルク制御手段出力１６０１に加算され、反力用モータ８０１を駆動する。
【００３９】
リングギア２０４の回転に起因する外乱は、（式６）に示したように、
Ｔｅ＝−｛Ｃ×ｄ／ｄｔ（θｈ−θｐ）＋Ｊｒ×ｄ2／ｄｔ2（θｈ−θｐ）｝
である。そして、この式の（θｈ−θｐ）はハンドル操舵角とピニオン舵角の偏差である。この偏差は、ＦＦ補償手段１７の加算部１７０２にて計算される（θｈ−θｒｅｆ）に相当するので、上記フィードフォワード制御量１７０１の出力
Ｔｆｆ＝｛Ｃ’×ｄ／ｄｔ（θｈ−θｒｅｆ）＋Ｊｒ’×ｄ2／ｄｔ2 （θｈ−θｒｅｆ）｝・・・（式９）
を、反力制御手段１６の制御出力に加算することにより、（式６）に示す外乱が抑制できる。
【００４０】
以上のように実施の形態１によれば、ハンドル角検出手段１２の出力１２０１と目標車輪舵角生成手段１３の出力１３０１の偏差に基づくフィードフォワード制御量を、反力トルク制御手段１６の出力に付加したので、ハンドル角θｈとピニオン角θｐの偏差に起因する反力トルク制御系への外乱を抑圧することができ、反力トルク制御手段１６の制御ゲインを大きくしなくても、反力トルク制御を安定させ、操舵フィーリングの良い車両用操舵装置を得ることができる。また、目標車輪舵角生成手段１３の出力１３０１（目標車輪舵角θｒｅｆ）を使用することで、車輪舵角検出手段１１の出力１１０１を使用する場合より、近い将来を予見した目標値に基づいて対応できる効果がある。
【００４１】
特に、フィードフォワード制御量として、ハンドル角検出手段１２の出力１２０１と目標車輪舵角生成手段１３の出力１３０１の偏差の時間微分、並びに偏差の２階時間微分に基づくように構成したので、ハンドル角（θｈ）とピニオン角（θｐ）の偏差に起因するリングギア２０４の回転に伴う摩擦外乱を補償して、反力トルク制御系への外乱を抑制することができるとともに、ハンドル角（θｈ）とピニオン角（θｐ）の偏差に起因するリングギア２０４の回転変化に伴う外乱を補償して、反力トルク制御系への外乱を抑制することができる。その結果、反力トルク制御手段の制御ゲインを大きくしなくても、反力トルク制御を安定させ、操舵フィーリングの良い車両用操舵装置を得ることができる。
【００４２】
上記実施の形態では、ハンドル角検出手段１２の出力１２０１と目標車輪舵角生成手段１３の出力１３０１の偏差の時間微分、並びに偏差の２階時間微分の双方を利用して外乱補償を行うようにしたが、いずれか一方のみを利用してもそれぞれの項目に対応する外乱が抑制できる。
【００４３】
まず、ハンドル角検出手段１２の出力１２０１と目標車輪舵角生成手段１３の出力１３０１の偏差の時間微分に基づいて外乱補償を行う、つまり、図５において、
Ｔｆｆ1＝｛Ｃ’×ｄ／ｄｔ（θｈ−θｒｅｆ）｝・・・（式９−１）
をＦＦ補償手段１７のフィードフォワード制御量１７０１として、反力トルク制御手段出力１６０１に加算し、反力用モータ８０１を駆動するように構成する。それにより、ハンドル角（θｈ）とピニオン角（θｐ）の偏差に起因するリングギア２０４の回転に伴う摩擦外乱を補償して、反力トルク制御系への外乱を抑制することができる。
【００４４】
次に、ハンドル角検出手段１２の出力１２０１と目標車輪舵角生成手段１３の出力１３０１の偏差の２階時間微分に基づいて外乱補償を行う、つまり、図５において、
Ｔｆｆ2＝｛Ｊｒ’×ｄ2／ｄｔ2 （θｈ−θｒｅｆ）｝・・・（式９−２）
をＦＦ補償手段１７のフィードフォワード制御量１７０１として、反力トルク制御手段出力１６０１に加算し、反力用モータ８０１を駆動するように構成する。それにより、ハンドル角（θｈ）とピニオン角（θｐ）の偏差に起因するリングギア２０４の回転変化に伴う外乱を補償して、反力トルク制御系への外乱を抑制することができる。
【００４５】
なお、上記説明では、フィードフォワード制御量１７０１として、ハンドル角検出手段の出力１２０１と目標車輪舵角生成手段の出力１３０１との偏差の時間微分である｛ｄ／ｄｔ（θｈ−θｒｅｆ）｝、又は、ハンドル角検出手段の出力１２０１と目標車輪舵角生成手段の出力１３０１との偏差の２階時間微分である｛ｄ2／ｄｔ2 （θｈ−θｒｅｆ）｝に基づいてフィードフォワード制御量１７０１を算出したが、ハンドル角検出手段の出力１２０１と目標車輪舵角生成手段の出力１３０１のそれぞれの時間微分の偏差である｛ｄ／ｄｔ（θｈ）−ｄ／ｄｔ（θｒｅｆ）｝、又は、ハンドル角検出手段の出力（θｈ）と目標車輪舵角生成手段の出力（θｒｅｆ）のそれぞれの２階時間微分の偏差である｛ｄ2／ｄｔ2（θｈ）−ｄ2／ｄｔ2 （θｒｅｆ）｝に基づいてフィードフォワード制御量１７０１を算出しても良いのは、言うまでもない。
【００４６】
実施の形態２．
実施の形態１では、ハンドル角検出手段の出力と目標車輪舵角生成手段の出力の偏差に基づくフィードフォワード制御量を反力トルク制御手段の出力に付加するようにしたが、実施の形態２では、ハンドル角検出手段の出力と車輪舵角検出手段の出力の偏差に基づくフィードフォワード制御量を反力トルク制御手段の出力に付加するようにする。
【００４７】
図６はこの発明の実施の形態２に係る車両用操舵装置を示す構成図である。図において、ＦＦ補償手段１７は、ハンドル角検出手段１２の出力であるハンドル操舵角１２０１と、車輪舵角検出手段１１の出力である車輪舵角１１０１を入力し、所定の演算が施されたフィードフォワード制御量１７０１を出力するものである。前記フィードフォワード制御量１７０１は、反力トルク制御手段１６の出力に加算されて、反力用モータ８を駆動する。なお、その他の構成は図１と同様であるので説明を省略する。
【００４８】
図７は実施の形態２における反力トルクの制御動作を説明するためのブロック線図である。図７に基づいて
、ＦＦ補償手段１７の動作を説明する。ＦＦ補償手段１７には、ハンドル角検出手段１２の出力１２０１（θｈ）と、車輪舵角検出手段１１の出力１１０１（θｐ）が入力され、加算部１７０２にてその偏差（θｈ−θｐ）が計算される。この偏差は、微分部１７０３に入力されて時間微分が計算され、さらに前提技術で説明したリングギア２０４の回転に伴って生じる摩擦外乱を補償するような係数Ｃ’が乗算部１７０４で乗じられ、
Ｃ’×ｄ／ｄｔ（θｈ−θｐ）・・・（式７’）
が算出される。
【００４９】
また、微分部１７０３で時間微分された偏差｛ｄ／ｄｔ（θｈ−θｐ）｝は、さらに微分部１７０５で時間微分され、リングギア２０４の回転変動に起因する外乱を補償するような係数Ｊｒ’が乗算部１７０６で乗じられ、
Ｊｒ’×ｄ2／ｄｔ2 （θｈ−θｐ）・・・（式８’）
が算出される。
【００５０】
これら２つの計算結果を加えた値、
｛Ｃ’×ｄ／ｄｔ（θｈ−θｐ）＋Ｊｒ’×ｄ2／ｄｔ2 （θｈ−θｐ）｝
が、ＦＦ補償手段１７のフィードフォワード制御量１７０１となる。このフィードフォワード制御量１７０１は、反力トルク制御手段出力１６０１に加算され、反力用モータ８０１を駆動する。
【００５１】
リングギア２０４の回転に起因する外乱は、（式６）に示したように、
Ｔｅ＝−｛Ｃ×ｄ／ｄｔ（θｈ−θｐ）＋Ｊｒ×ｄ2／ｄｔ2（θｈ−θｐ）｝
である。一方、フィードフォワード制御量１７０１の出力は
Ｔｆｆ＝｛Ｃ’×ｄ／ｄｔ（θｈ−θｒｅｆ）＋Ｊｒ’×ｄ2／ｄｔ2 （θｈ−θｒｅｆ）｝・・・（式９’）
であるので、この値を反力制御手段１６の制御出力に加算することにより、（式６）に示す外乱が抑制できる。
【００５２】
以上のように実施の形態２によれば、ハンドル角検出手段１２の出力１２０１と車輪舵角検出手段１１の出力１１０１の偏差に基づくフィードフォワード制御量を、反力トルク制御手段１６の出力に付加したので、ハンドル角θｈとピニオン角θｐの偏差に起因する反力トルク制御系への外乱を抑圧することができ、反力トルク制御手段１６の制御ゲインを大きくしなくても、反力トルク制御を安定させ、操舵フィーリングの良い車両用操舵装置を得ることができる。
【００５３】
特に、フィードフォワード制御量として、ハンドル角検出手段１２の出力１２０１と目標車輪舵角生成手段１３の出力１３０１の偏差の時間微分、並びに偏差の２階時間微分に基づくように構成したので、ハンドル角（θｈ）とピニオン角（θｐ）の偏差に起因するリングギア２０４の回転に伴う摩擦外乱を補償して、反力トルク制御系への外乱を抑制することができるとともに、ハンドル角（θｈ）とピニオン角（θｐ）の偏差に起因するリングギア２０４の回転変化に伴う外乱を補償して、反力トルク制御系への外乱を抑制することができる。その結果、反力トルク制御手段の制御ゲインを大きくしなくても、反力トルク制御を安定させ、操舵フィーリングの良い車両用操舵装置を得ることができる。
【００５４】
上記実施の形態では、ハンドル角検出手段１２の出力１２０１と車輪舵角検出手段１１の出力１１０１の偏差の時間微分、並びに偏差の２階時間微分の双方を利用して外乱補償を行うようにしたが、いずれか一方のみを利用してもそれぞれの項目に対応する外乱が抑制できる。
【００５５】
まず、ハンドル角検出手段１２の出力１２０１と車輪舵角検出手段１１の出力１１０１の偏差の時間微分に基づいて外乱補償を行う、つまり、図７において、
Ｔｆｆ1＝｛Ｃ’×ｄ／ｄｔ（θｈ−θｐ）｝・・・（式９’−１）
をＦＦ補償手段１７のフィードフォワード制御量１７０１として、反力トルク制御手段出力１６０１に加算し、反力用モータ８０１を駆動するように構成する。それにより、ハンドル角（θｈ）とピニオン角（θｐ）の偏差に起因するリングギア２０４の回転に伴う摩擦外乱を補償して、反力トルク制御系への外乱を抑制することができる。
【００５６】
次に、ハンドル角検出手段１２の出力１２０１と車輪舵角検出手段１１の出力１１０１の偏差の２階時間微分に基づいて外乱補償を行う、つまり、図７において、
Ｔｆｆ2＝｛Ｊｒ’×ｄ2／ｄｔ2 （θｈ−θｐ）｝・・・（式９’−２）
をＦＦ補償手段１７のフィードフォワード制御量１７０１として、反力トルク制御手段出力１６０１に加算し、反力用モータ８０１を駆動するように構成する。それにより、ハンドル角（θｈ）とピニオン角（θｐ）の偏差に起因するリングギア２０４の回転変化に伴う外乱を補償して、反力トルク制御系への外乱を抑制することができる。
【００５７】
なお、上記説明では、フィードフォワード制御量１７０１として、ハンドル角検出手段の出力１２０１と車輪舵角検出手段の出力１１０１との偏差の時間微分である｛ｄ／ｄｔ（θｈ−θｐ）｝、又は、ハンドル角検出手段の出力１２０１と車輪舵角検出手段の出力１１０１との偏差の２階時間微分である｛ｄ2／ｄｔ2（θｈ−θｐ）｝に基づいてフィードフォワード制御量１７０１を算出したが、ハンドル角検出手段の出力１２０１と車輪舵角検出手段の出力１１０１のそれぞれの時間微分の偏差である｛ｄ／ｄｔ（θｈ）−ｄ／ｄｔ（ｐ）｝、又は、ハンドル角検出手段の出力１２０１と車輪舵角検出手段の出力１１０１のそれぞれの２階時間微分の偏差である｛ｄ2／ｄｔ2 （θｈ）−ｄ2／ｄｔ2 （θｐ）｝に基づいてフィードフォワード制御量１７０１を算出しても良いのは、言うまでもない。
【００５８】
【発明の効果】
第１の発明によれば、運転者が操作するハンドルと副操舵機構により操舵輪を操舵する操舵機構を有し、車輪舵角とハンドル反力とを独立して制御できる車両用操舵装置において、ハンドル角検出手段の出力と目標車輪舵角生成手段の出力との偏差に基づくフィードフォワード制御量を、反力トルク制御手段の出力に付加するようにしたので、ハンドル角とピニオン角の偏差に起因する反力トルク制御系への外乱を抑圧することができる。その結果、反力トルク制御手段の制御ゲインを大きくしなくても、反力トルク制御を安定させ、操舵フィーリングの良い車両用操舵装置を得ることができる。
【００５９】
第２の発明によれば、運転者が操作するハンドルと副操舵機構により操舵輪を操舵する操舵機構を有し、車輪舵角とハンドル反力とを独立して制御できる車両用操舵装置において、ハンドル角検出手段の出力と車輪舵角検出手段の出力との偏差に基づくフィードフォワード制御量を、反力トルク制御手段の出力に付加するようにしたので、ハンドル角とピニオン角の偏差に起因する反力トルク制御系への外乱を抑圧することができる。その結果、反力トルク制御手段の制御ゲインを大きくしなくても、反力トルク制御を安定させ、操舵フィーリングの良い操舵装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の前提技術に係る車両用操舵装置を示す構成図である。
【図２】 この発明の前提技術における反力トルクの制御動作を示すブロック線図である。
【図３】 この発明の前提技術における反力トルクの制御動作を説明するための機構図である。
【図４】 この発明の実施の形態１に係る車両用操舵装置を示す構成図である。
【図５】 この発明の実施の形態１における反力トルクの制御動作を説明するためのブロック線図である。
【図６】 この発明の実施の形態２に係る車両用操舵装置を示す構成図である。
【図７】 この発明の実施の形態２における反力トルクの制御動作を説明するためのブロック線図である。
【符号の説明】
１ ハンドル、２ 副操舵機構を構成する第１の遊星ギア機構、３ 副操舵機構を構成する第２の遊星ギア機構、４ シャフト、５ 車輪舵角制御機構、７ａ，ｂ 操舵輪、８ 反力トルク生成手段、９ 操舵機構駆動手段、１０ 反力トルク検出手段、１１ 車輪舵角検出手段、１２ ハンドル角検出手段、１３ 目標車輪舵角生成手段、１４ 車輪舵角制御手段、１５ 目標反力生成手段、１６反力トルク制御手段、１７ フィードフォワード補償手段。
Claims (8)
- ハンドルの回転量と、駆動トルクを印加することにより前記ハンドルの回転量を補償する副操舵機構の付勢量とに応じて操舵車輪を操舵する操舵機構を有する車両用操舵装置において、
前記ハンドルの操舵角を検出するハンドル角検出手段と、
前記ハンドルと前記副操舵機構の間に設置されて前記ハンドルに印加されている反力トルクを検出する反力トルク検出手段と、
前記ハンドルに印加する反力トルクの目標値を生成する目標反力生成手段と、前記目標反力生成手段により生成された目標反力トルクと前記反力トルク検出手段により検出された反力トルクが一致するように前記副操舵機構に印加する駆動トルクを制御する反力トルク制御手段と、
前記操舵車輪の車輪舵角を制御する車輪舵角制御機構と、
前記操舵車輪の車輪舵角に相当する角度を検出する車輪舵角検出手段と、
前記操舵車輪の目標車輪舵角を生成する目標車輪舵角生成手段と、
前記目標車輪舵角生成手段により生成された目標車輪舵角と前記車輪舵角検出手段により検出された車輪舵角が一致するように前記車輪舵角制御機構を駆動制御する車輪舵角制御手段とを備え、
前記ハンドル角検出手段により検出されたハンドル角と前記目標車輪舵角生成手段が生成した目標車輪舵角との偏差に基づくフィードフォワード制御量を、前記反力トルク制御手段の出力に付加することを特徴とする車両用操舵装置。 - 前記フィードフォワード制御量は、前記ハンドル角検出手段により検出されたハンドル角と前記目標車輪舵角生成手段が生成した目標車輪舵角との偏差の時間微分に基づくことを特徴とする請求項１に記載の車両用操舵装置。
- 前記フィードフォワード制御量は、前記ハンドル角検出手段により検出されたハンドル角と前記目標車輪舵角生成手段が生成した目標車輪舵角との偏差の２階時間微分に基づくことを特徴とする請求項１に記載の車両用操舵装置。
- 前記フィードフォワード制御量は、前記ハンドル角検出手段により検出されたハンドル角と前記目標車輪舵角生成手段が生成した目標車輪舵角との偏差の時間微分に基づく第１のフィードフォワード制御量と、前記ハンドル角検出手段により検出されたハンドル角と前記目標車輪舵角生成手段が生成した目標車輪舵角との偏差の２階時間微分に基づく第２のフィードフォワード制御量の和であることを特徴とする請求項１に記載の車両用操舵装置。
- ハンドルの回転量と、駆動トルクを印加することにより前記ハンドルの回転量を補償する副操舵機構の付勢量とに応じて操舵車輪を操舵する操舵機構を有する車両用操舵装置において、
前記ハンドルの操舵角を検出するハンドル角検出手段と、
前記ハンドルと前記副操舵機構の間に設置されて前記ハンドルに印加されている反力トルクを検出する反力トルク検出手段と、
前記ハンドルに印加する反力トルクの目標値を生成する目標反力生成手段と、前記目標反力生成手段により生成された目標反力トルクと前記反力トルク検出手段により検出された反力トルクが一致するように前記副操舵機構に印加する駆動トルクを制御する反力トルク制御手段と、
前記操舵車輪の車輪舵角を制御する車輪舵角制御機構と、
前記操舵車輪の車輪舵角に相当する角度を検出する車輪舵角検出手段と、
前記操舵車輪の目標車輪舵角を生成する目標車輪舵角生成手段と、
前記目標車輪舵角生成手段により生成された目標車輪舵角と前記車輪舵角検出手段により検出された車輪舵角が一致するように前記車輪舵角制御機構を駆動制御する車輪舵角制御手段とを備え、
前記ハンドル角検出手段により検出されたハンドル角と前記車輪舵角検出手段が検出した車輪舵角との偏差に基づくフィードフォワード制御量を、前記反力トルク制御手段の出力に付加することを特徴とする車両用操舵装置。 - 前記フィードフォワード制御量は、前記ハンドル角検出手段により検出されたハンドル角と前記車輪舵角検出手段が検出した車輪舵角との偏差の時間微分に基づくことを特徴とする請求項５に記載の車両用操舵装置。
- 前記フィードフォワード制御量は、前記ハンドル角検出手段により検出されたハンドル角と前記車輪舵角検出手段が検出した車輪舵角との偏差の２階時間微分に基づくことを特徴とする請求項５に記載の車両用操舵装置。
- 前記フィードフォワード制御量は、前記ハンドル角検出手段により検出されたハンドル角と前記車輪舵角検出手段が検出した車輪舵角との偏差の時間微分に基づく第１のフィードフォワード制御量と、前記ハンドル角検出手段により検出されたハンドル角と前記車輪舵角検出手段が検出した車輪舵角との偏差の２階時間微分に基づく第２のフィードフォワード制御量の和であることを特徴とする請求項５に記載の車両用操舵装置。
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