JP3901051B2 - 車両用操舵制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、操舵ハンドルの操舵角と転舵輪の転舵角との間の伝達比を変化させる伝達比可変機構を備えた車両用操舵制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、操舵ハンドルの操舵角と転舵輪の転舵角との間の伝達比を変化させる伝達比可変機構を備えた車両用操舵制御装置が知られている。例えば、操舵ハンドルに連結されるハンドル軸とステアリングギヤ装置側に連結される中間軸とを所定のギヤ機構で連結し、このギヤ機構を駆動モータで駆動することでハンドル軸−中間軸間の回転量の伝達比を変更する伝達比可変機構などが知られている。駆動モータは、操舵ハンドルの操舵角及び伝達比から演算された制御回転角と駆動モータの実際の回転角（以下、実回転角と言う）との偏差に基づいて制御される。また、運転者は、この駆動モータの発生するトルクの反力を操舵トルクとして感じる（駆動モータと操舵ハンドル間に減速機構がある場合は、その減速機構のギヤ比に応じてモータの出力するトルクが増幅あるいは減衰されたものを操舵トルクとして感じる）。この駆動モータの発生するトルクは、上述した偏差におおむね比例したものとなる（偏差×制御ゲイン＝モータトルク）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
センサ異常時などには、上述した偏差をゼロ（制御回転角＝実回転角）と設定し、異常からの復帰時には舵角を回復させるものも知られている。（特開平８−２１６９１０号公報）。しかし、このような制御を行うと、偏差をゼロとして設定するので、伝達比変更用の駆動モータの発生トルクに起因して運転者が感じる操舵トルクがなくなり、いわゆるトルク抜けを一瞬生じてしまう。運転者は、このトルク抜けにより操舵感に違和感を受ける。
【０００４】
従って、本発明の目的は、運転者に違和感を感じさせることなく、伝達比可変機構の異常時から復帰時への移行を円滑に行うことのできる車両用操舵制御装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の車両用操舵制御装置は、伝達比変更用の駆動モータを駆動させて操舵ハンドルの操舵角と転舵輪の転舵角との間の伝達比を変化させる伝達比可変手段を備え、さらに、操舵制御の異常状態から正常状態への復帰時に駆動モータのトルク反力に起因して操舵ハンドルに伝達されるモータ出力トルクと復帰直前の運転者による操舵ハンドルの操舵トルクとを等しくする補正角を含む駆動モータの目標角を設定する目標角算出手段と、目標角算出手段によって算出された目標角に含まれる補正角を徐々に解消させる補正角解消手段とを備えていることを特徴としている。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の制御装置の一実施形態について、図面を参照しつつ以下に説明する。本実施形態の制御装置をの構成を図１に示す。入力軸２０と出力軸４０とは伝達比可変機構３０を介して連結されており、入力軸２０には操舵ハンドル１０が連結されている。出力軸４０は、ラックアンドピニオン式のギヤ装置５０を介してラック軸５１に連結されており、ラック軸５１の両側には転舵輪ＦＷ１，ＦＷ２が連結されている。
【０００７】
また、入力軸２０には操舵ハンドル１０の操舵角を検出する入力角センサ２１を設け、出力軸４０には出力軸４０の回転角を検出する出力角センサ４１を設けている。この出力軸４０の回転角はラック軸５１のストローク位置に対応し、さらにラック軸５１のストローク位置は転舵輪ＦＷ１，ＦＷ２の転舵角に対応する。このため、出力角センサ４１によって出力軸４０の回転角を検出することで、転舵輪ＦＷ１，ＦＷ２の転舵角を検出することができる。
【０００８】
また、入力軸２０には、この入力軸２０に加わるねじれ方向の力を検出するトルクセンサ２２が設けられており、トルクセンサ２２によって、運転者が操舵ハンドルに加えているトルクを検出したり、運転者が感じている操舵トルクを検出することができる。あるいは、トルクセンサ２２の検出値からこれらのトルクを推定することができる。
【０００９】
伝達比可変機構３０は、入力軸２０と出力軸４０とを連結するギヤ機構を備えており、このギヤ機構をアクチュエータとしての駆動モータ（直流モータ）３１で駆動することで、操舵ハンドル１０の操舵角と転舵輪ＦＷ１，ＦＷ２の転舵角との間の伝達比を変化させる機能を有している。この駆動モータ３１は、直流モータで、被制御時には、その作動角（実回転角）と目標角との偏差に応じたトルクを発生する。即ち、この偏差と出力トルクとは比例関係（偏差×制御ゲイン＝出力トルク）にある。
【００１０】
なお、伝達比を可変とするためのギヤ機構は、駆動モータ３１の内部に収納されていても良いし、駆動モータ３１の外部に配されても良い。駆動モータ３１の外部にギヤ機構が配される場合は、駆動モータ３１の出力軸が発生するトルクの反力がギヤ機構を介して操舵ハンドルに達するが、この場合は、駆動モータ３１が発生するトルクの反力がギヤ機構によって増幅又は減衰された後に操舵ハンドルに達する。また、このギヤ比によるトルクの変換だけでなく、ギヤ機構自体の抵抗などの機構部でのロスによっても、駆動モータ３１が発生するトルクの反力が多少減じられて操舵ハンドルに達する。しかし、ここでは、説明の便宜上、駆動モータ３１が発生するトルクの反力の操舵ハンドル１０への伝達効率が１００％であるとして説明することとする。
【００１１】
また、伝達比可変機構３０の内部には、駆動モータ３１の作動角を検出する作動角センサ３２も設けられている。なお、伝達比可変機構３０（特に、そのギヤ機構）に関しては、種々のものが既に公知になっており、本実施形態においてもこのような公知の機構を用いている。具体例を挙げるならば、特開２０００−２１１５４１号公報や、特開２００１−１５１１３４号公報に記載の波動歯車を用いたものなどがある。
【００１２】
ここで、出力軸４０の回転角、即ち、出力角センサ４１によって検出される出力角をθｐとし、操舵ハンドル１０の操舵角、即ち、入力角センサ２１で検出される入力角をθｈとする。このように定義すると、操舵ハンドル１０側からの入力角θｈが、駆動モータ３１が作動角θｍ回転されることで、出力軸４０側から出力角θｐとして出力されるので、θｐ＝θｈ＋θｍの関係が成り立つ。なお、この式では、駆動モータ３１の内部にギヤ機構が内蔵されており、作動角θｍには、ギヤ機構のギヤ比が反映されているものとする。ギヤ機構が駆動モータ３１の外部にあり、そのギヤ比がｋであれば、上式はθｐ＝θｈ＋ｋ・θｍとなる。以下では、説明の便宜上、θｐ＝θｈ＋θｍを用いて説明する。
【００１３】
伝達比可変機構３０の駆動制御は操舵制御部７０によって実施される。操舵制御部７０は、ＥＣＵやＲＯＭ、ＲＡＭなどを有する電子制御ユニットである。操舵制御部７０には、入力角センサ２１、トルクセンサ２２、作動角センサ３２、及び、出力角センサ４１などの他、車両の速度を検出する車速センサ６０も接続されている。操舵制御部７０はこれらのセンサ類からの信号に基づいて伝達比Ｇを設定すると共に、駆動モータ３１の目標角を決定し、駆動モータ３１がこの目標角となるように駆動モータ３１に対して制御信号Ｉｓを送出する。なお、操舵制御部７０は、目標角算出手段及び補正角解消手段として機能している。
【００１４】
以下、まず通常の制御について簡単に説明し、その後、異常状態からの復帰時の制御について説明する。通常時は、まず、車速センサ６０によって検出した車速に応じて伝達比Ｇが決定される。車速が遅い場合は、操舵ハンドル１０の少ない操舵角で大きな転舵角が得られるように、伝達比Ｇは大きく設定される。反対に、車速が速い場合は、高速走行時の安定性を考慮して、伝達比Ｇは小さめに設定される。ここで、操舵角、即ち、入力角θｈと伝達比Ｇと出力角θｐとの関係は、θｐ＝Ｇ・θｈとなる。このとき、駆動モータ３１の目標角（作動角θｍの制御目標）をθｔとすれば、上述したθｐ＝θｈ＋θｍとから、θｔ＝（Ｇ−１）・θｈとして駆動モータ３１の制御目標が決定される。
【００１５】
さらに、ここで、操舵ハンドル１０の中立位置と転舵輪ＦＷ１，ＦＷ２の転舵方向中立位置との間に差が生じる場合がある。二つの中立位置のズレは、入力軸２０と出力軸４０との間のズレと同等であるので、伝達比可変機構３０を用いてこのズレを解消することをしている。二つの中立位置のズレを、入力軸２０と出力軸４０との間のズレ（オフセット角θｏ）として算出し、このオフセット角θｏを徐々にゼロとする制御も、上述した伝達比可変制御と同時に行われている。
【００１６】
即ち、上述した駆動モータ３１の目標角θｔに対して、オフセット角θｏ足したθｔ＋θｏを仮想目標角θｔｖとし、駆動モータ３１の作動角θｍがこの仮想目標角θｔｖとなるように制御する。同時に、仮想目標角θｔｖに含まれたオフセット角θｏを徐々にゼロとするような制御を並行して行う。オフセット角θｏがゼロとなれば、θｔｖ＝θｔとなり、駆動モータ３１は本来の伝達比Ｇを実現するための制御と等しくなる。
【００１７】
なお、オフセット角θｏを徐々にゼロとする制御についてはここでは詳しく述べないが、公知の制御方法を適用することができる。例えば、操舵ハンドル転舵速度が所定速度を超えている間だけ、一定の割合でオフセット角θｏが少なくなるように入力軸２０と出力軸４０のズレを伝達比可変機構３０を駆動（即ち、駆動モータ３１を駆動）する方法がある。また、特開２０００−３４４１２１号公報に記載の方法なども適用し得る。この制御は、各種センサの出力信号に基づいて、操舵制御部７０によって駆動モータ３１を制御することでなされる。
【００１８】
この仮想目標角θｔｖは操舵制御部７０において、上述した各種センサの出力信号に基づいて算出される。仮想目標角θｔｖが算出されたら、操舵制御部７０は、駆動モータ３１の作動角θｍがこの仮想目標角θｔｖとなるような制御信号Ｉｓを駆動モータ３１に対して送出する。なお、このとき、駆動モータ３１は、その時点での作動角θｍと仮想目標角θｔｖとの偏差（θｔｖ−θｍ）に比例する出力トルクを発生する。上述した制御ゲインをｇとすれば、駆動モータ３１の発生するトルクはｇ・（θｔｖ−θｍ）であり、このトルク反力を運転者は操舵トルクとして感じる。
【００１９】
次に、上述した伝達比可変制御系が何らかの理由によって異常となり、その後回復するときの制御復帰時の制御について説明する。異常となる状況としては、具体的には、作動角センサ３２の故障、操舵制御部７０部の異常（ＥＣＵの故障・ＲＡＭ異常・ＲＯＭ異常・演算機異常）などが考えられる。従来は、このような異常からの復帰時には、異常時にはその時点での作動角θｍ＝仮想目標角θｔｖ（あるいは目標角θｔ）と設定し、異常からの復帰時には仮想目標角θｔｖ（あるいは目標角θｔ）が本来の値となるように徐々に回復させていた。
【００２０】
しかし、駆動モータ３１は、その時点での作動角θｍと仮想目標角θｔｖとの偏差（θｔｖ−θｍ）に比例する出力トルクを発生し、運転者はこのトルク反力を操舵トルクとして感じるので、その時点での作動角θｍ＝仮想目標角θｔｖ（あるいは目標角θｔ）と設定するとトルク抜けを感じてしまう。そこで、本発明では、異常状態からの制御復帰時には、復帰時に駆動モータ３１のトルク反力に起因して操舵ハンドル１０に伝達されるモータ出力トルクと、復帰直前の運転者による操舵ハンドル１０の操舵トルクとを等しくする補正角θｓを用いて、運転者が操舵に違和感を感じないように制御を復帰させる。
【００２１】
なお、ここに言う、「駆動モータ３１のトルク反力に起因して操舵ハンドル１０に伝達されるモータ出力トルク」とは、本実施形態では、伝達効率が１００％で、かつ、駆動モータ３１の内部にギヤ機構が内蔵されていることとして説明しているので、駆動モータ３１自体の出力トルクの反力に等しい。駆動モータ３１の外部にギヤ機構が配されている場合などは、このギヤ機構によって増幅又は減衰された後に操舵ハンドル１０に伝達されるトルクになる。
【００２２】
本実施形態においては、上述した補正角θｓは、オフセット角に含まれるように設定される。即ち、仮想オフセット角θｏｖ＝（本当の）オフセット角θｏ＋補正角θｓとする。復帰直前の運転者の操舵トルクＴをトルクセンサ２２によって検出すると共に、復帰直前の駆動モータ３１の作動角θｍを作動角センサ３２によって検出する。そして、Ｔ＝ｇ・（θｔｖ−θｍ）＝ｇ・［（θｔ＋θｏｖ）−θｍ］＝ｇ・｛［θｔ＋（θｏ＋θｓ）］−θｍ｝となるような補正角θｓを操舵制御部７０によって算出し、これを本来のオフセット角θｏに足し合わせたものを仮想オフセット角θｏｖとして、通常と同様にオフセット角を徐々に解消する制御を行う。
【００２３】
上述したように、駆動モータ３１は、その時点での作動角θｍと制御目標角θｔとの偏差に比例するトルクを発生する。そこで、異常からの制御復帰時に、運転者の操舵トルクが滑らかに連続するような偏差となるように補正角θｓを設定する。そして、ここでは、この補正角θｓをオフセット角θｏ（仮想オフセット角θｏｖ）に含めてしまうことで、その後のオフセット角を解消する制御によって補正角θｓ自体を解消する。即ち、補正角θｓは、駆動モータ３１の目標角（仮想目標角θｔｖ）に含まれる。このようにすることで、運転者に違和感を感じさせることなく、伝達比可変機構の異常時から復帰時への移行を円滑に行うことができる。
【００２４】
次に、他の実施形態について説明する。上述した実施形態では、運転者の操舵トルクを検出するためのトルクセンサ２２が必要であった。トルクセンサ２２の検出結果に基づいて運転者の操舵トルクを演算によって算出する場合でも、推定演算の負荷が大きかった。しかし、以下に説明する実施形態では、トルクセンサ自体を省略することができる。
【００２５】
本実施形態における装置の構成は、図１に示されるものからトルクセンサ２２を省いたものであるので、詳しい説明は省略する。制御復帰直前（添え字として_n-1を付する）の操舵トルクＴ_n-1は駆動モータ３１の目標角θｔ_n-1とその時点での駆動モータ３１の作動角θｍ_n-1との偏差及び制御ゲインｇによって決まるので次のように表すことができる。
Ｔ_n-1＝ｇ・（θｔｖ_n-1−θｍ_n-1）
【００２６】
一方、上述したように、制御復帰時（添え字として_nを付する）には、仮想オフセット角θｏｖ、即ち、補正角θｓを用いて操舵トルクを滑らかに連続させるが、このときの操舵トルクＴ_nは上述したように次式によって表すことができる。
Ｔ_n＝ｇ・（θｔｖ_n−θｍ_n）＝ｇ・［（θｔ_n＋θｏｖ_n）−θｍ_n］＝ｇ・｛［θｔ_n＋（θｏ_n＋θｓ_n）］−θｍ_n｝
ここで、Ｔ_n＝Ｔ_n-1となるようにθｏｖ_nが決定されていることから、ｇ・（θｖｔ_n-1−θｍ_n-1）＝ｇ・［（θｔ_n＋θｏｖ_n）−θｍ_n］となる。これをまとめると次にようになる。
θｏｖ_n＝θｏ_n＋θｓ_n＝（θｔｖ_n-1−θｍ_n-1）−（θｔ_n−θｍ_n）
【００２７】
即ち、上式を満たすように補正角θｓ_nを算出し、この補正角θｓを駆動モータ３１の目標角（仮想目標角θｔｖ）に反映させる（含ませる）ことでも、運転者に違和感を感じさせることなく、伝達比可変機構の異常時から復帰時への移行を円滑に行うことができる。本実施形態の場合は、トルクセンサ２２が不要となるし、操舵トルク推定のために演算負荷が大きくなってしまうようなこともない。
【００２８】
上述した実施形態では、伝達比可変機構の制御として比例制御を用いている技術に基づいて説明を行った。しかし、本発明の操舵制御装置は、比例制御だけでなくあらゆる伝達比可変機構の制御に応用することができる。例えば、伝達比可変制御の制御追従性能を向上させるためにＰＩＤ制御を適用することが考えられるが、この制御にも応用可能である。この場合の駆動モータの発生トルクＴｍは、下記式のように表される。
【００２９】
【数１】

制御復帰時には、偏差成分ｅ、偏差の微分成分（上式下線部）、偏差の積分成分（上式波線部）をそれぞれ０とした上で、ｇ×θｓを加えた値をモータ発生トルクとする。これにより比例制御の場合と同様の効果が得られる。
【００３０】
本発明の操舵制御装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態においては、異常時からの制御復帰時にトルク抜けなどを抑止するための補正角θｓをオフセット角（仮想オフセット角θｏｖ）に含ませ、正常時のオフセット角を徐々に解消する制御を利用した。しかし、オフセット角とは独立させて補正角を設定し、この補正角を駆動モータ３１の目標角に含めても良い。この場合は、オフセット角を解消する制御の他に、補正角自体を解消する制御も行われる。
【００３１】
また、上述した制御では、本来の目標角θｔにオフセット角θｏ（あるいは、仮想オフセット角θｏｖ）を加味させて仮想目標角θｔｖとする際に、θｔｖ＝θｔ＋θｏ（あるいは、θｔ＋θｏｖ）としたが、θｔｖ＝θｔ−θｏ（あるいは、θｔ−θｏｖ＝θｔ−［θｏ＋θｓ］）としても良い。このような場合も、（仮想）目標角θｔｖは補正角θｓを含む（反映している）と言える。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の車両用操舵制御装置は、駆動モータを備えた伝達比可変手段と、上述した補正角を含む駆動モータの目標角を設定する目標角算出手段と、この補正角を徐々に解消させる補正角解消手段とを備えていることを特徴としており、補正角を設定することで操舵トルクの変化を抑止して運転者に違和感を感じさせることなく、伝達比可変機構の異常時から復帰時への移行を円滑に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の制御装置の一実施形態を有する車両の駆動系構成図である。
【符号の説明】
１０…操舵ハンドル、２０…入力軸、２１…入力角センサ、２２…トルクセンサ、３０…伝達比可変機構（手段）、３１…駆動モータ、３２…作動角センサ、４０…出力軸、４１…出力角センサ、５０…ギヤ装置、５１…ラック軸、６０…車速センサ、７０…操舵制御部（目標角算出手段、補正角解消手段）、ＦＷ１，ＦＷ２…転舵輪、ｇ…制御ゲイン、Ｇ…伝達比、Ｔ…操舵トルク、θｈ…入力角、θｍ…作動角、θｔ…目標角、θｔｖ…仮想目標角、θｏ…オフセット角、θｏｖ…仮想オフセット角、θｐ…出力角、θｓ…補正角。

Claims (1)

1. 伝達比変更用の駆動モータを駆動させて操舵ハンドルの操舵角と転舵輪の転舵角との間の伝達比を変化させる伝達比可変手段を備えた車両用操舵制御装置において、
   操舵制御の異常状態から正常状態への復帰時に前記駆動モータのトルク反力に起因して前記操舵ハンドルに伝達されるモータ出力トルクと復帰直前の運転者による前記操舵ハンドルの操舵トルクとを等しくする補正角を含む前記駆動モータの目標角を設定する目標角算出手段と、
   前記目標角算出手段によって算出された目標角に含まれる補正角を徐々に解消させる補正角解消手段とを備えていることを特徴とする車両用操舵制御装置。

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