JP3929999B2 - 反力制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、車両の操舵系において操作子に作用させるべき反力成分を制御する反力制御装置に関するものである。

車両用操舵装置として電動式パワーステアリング装置が知られている。電動式パワーステアリング装置は、ステアリングホイールに結合されたステアリングシャフトと転舵輪を転舵させる転舵機構とが機械的に連結されるとともに、操舵力を補助するための電動機が前記転舵機構に連係されていて、一般に、ステアリングシャフトに作用する操舵トルクが大きいほど補助操舵力が大きくなるように前記電動機の駆動トルク指令値（駆動電流値）を制御している。

また、この電動式パワーステアリング装置では、外乱に起因する車両の不整挙動を抑制するために、車両挙動（例えばヨーレート）を検出手段で検出し、この車両挙動を打ち消す方向の駆動トルク補正値を算出し、操舵トルクに応じて設定するベース駆動トルク指令値から前記駆動トルク補正値を減算して駆動トルク指令値とし、前記電動機を制御するものもある（例えば、特許文献１参照）。このように構成した場合、通常の旋回走行時などにおいてヨーレートが発生した場合にも、これらを抑制する方向、すなわち車両を直進状態に復帰させる方向に駆動トルク補正値を発生させる。したがって、駆動トルク補正値はアシスト力に対する反力成分と言える。

ヨーレート情報に基づいて反力成分を制御する場合、従来は一般に、ヨーレートが大きくなるにしたがって反力成分（駆動トルク補正値）が大きくなるように制御している。換言すると、ヨーレートが大きくなるにしたがって電動機による補助操舵力が減るように電動機の駆動トルク制御を行っている。これにより、ヨーレートが大きいときの操舵の安定性を保っている。
特許第３２２９０７４号公報

ところで、操舵に対する車両の運動には位相遅れがあり、例えば、ヨーレートはステアリングホイールの操舵入力に対して位相遅れがある。そして、ヨーレート共振周波数よりも高い周波数でステアリングホイールに操舵入力を加えると、ヨーレートの位相が操舵速度に対して逆になってしまう。このようになると、ヨーレートが大きいときほど本来ならば大きな反力成分を発生させたいにもかかわらず、操舵に対して位相が反転して反力成分が出力される結果、小さな操舵力で操舵が可能になり（すなわち、操舵が軽くなり）、所謂『操舵力抜け』が生じて、操舵フィーリングが悪化して、反力制御の目的が達成できなくなる。
そこで、この発明は、操舵に対する車両挙動の位相遅れに起因する操舵力の減少を抑制して、良好な操舵フィーリングを得ることができる反力制御装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、車両の運転者により操作される操作子（例えば、後述する実施の形態におけるステアリングホイール３）に作用させるべき反力成分を制御する反力制御装置において、前記操作子の操作速度（例えば、後述する実施の形態における操舵速度）を検出する操作速度検出手段（例えば、後述する実施の形態における操舵速度センサ１５）と、前記車両の挙動（例えば、後述する実施の形態におけるヨーレート）を検出する車両挙動検出手段（例えば、後述する実施の形態におけるヨーレートセンサ１８）と、前記車両挙動検出手段の検出値が大きいほど前記反力成分を大きく設定し且つ前記操作速度検出手段の検出値が大きいほど前記反力成分を小さく設定する反力成分制御手段（例えば、後述する実施の形態における反力補正部３３）と、を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、基本的には車両挙動が大きいほど操作子に作用する反力成分を大きく設定することができ、しかも、操作子の操作に対する車両挙動の位相反転が生じ易い操作速度が大きいときには、操作子に作用する反力成分を小さく設定することが可能になる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記反力成分制御手段は、前記反力成分の設定に影響を与えない操作速度領域（例えば、後述する実施の形態における不感帯）を有し、該操作速度領域は車速が低いほど大きいことを特徴とする。
このように構成することにより、高車速では比較的に操作速度の小さいときから反力成分を低減することが可能になり、低車速では操作速度が比較的に大きくなるまで反力成分を低減しないようにすることが可能になる。

請求項１に係る発明によれば、基本的には車両挙動が大きいほど操作子に作用する反力成分を大きく設定することができるので、操舵を安定させることができ、しかも、操作子の操作に対する車両挙動の位相反転が生じ易い操作速度が大きいときには、操作子に作用する反力成分を小さく設定することが可能になるので、操作子の操作に対する車両挙動の位相遅れに起因する操舵力の減少（操舵力抜け）を抑制することができ、良好な操舵フィーリングを得ることができる。

請求項２に係る発明によれば、車速に応じた反力成分の設定が可能になるので、操舵フィーリングが更に向上する。

以下、この発明に係る反力制御装置の実施例を図１から図３の図面を参照して説明する。なお、以下の実施例においては、この発明を電動パワーステアリング装置に適用した態様で説明する。
初めに、図１を参照して、電動式パワーステアリング装置の構成を説明する。電動式パワーステアリング装置は手動操舵力発生機構１を備えており、この手動操舵力発生機構１は、ステアリングホイール（操作子）３に一体結合されたステアリングシャフト４が、ユニバーサルジョイントを有する連結軸５を介してラック＆ピニオン機構のピニオン６に連結されて構成されている。ピニオン６は、車幅方向に往復動し得るラック軸７のラック７ａに噛合し、ラック軸７の両端には、タイロッド８，８を介して転舵輪としての左右の前輪９，９が連結されている。この構成により、ステアリングホイール３の操舵時に通常のラック＆ピニオン式の転舵操作が可能であり、前輪９，９を転舵させて車両の向きを変えることができる。ラック軸７とタイロッド８，８は転舵機構を構成する。

また、ラック軸７と同軸上に、手動操舵力発生機構１による操舵力を軽減するための補助操舵力を供給する電動機１０が配設されている。この電動機１０により供給される補助操舵力は、ラック軸７に対してほぼ平行に設けられたボールねじ機構１２を介して推力に変換され、ラック軸７に作用せしめられる。そのために、ラック軸７を挿通させた電動機１０のロータに駆動側ヘリカルギヤ１１を一体的設け、この駆動側ヘリカルギヤ１１に噛合する従動側ヘリカルギヤ１３を、ボールねじ機構１２のスクリューシャフト１２ａの一端に設け、ボールねじ機構１２のナット１４をラック７に固定している。

ステアリングシャフト４には、ステアリングシャフト４の操舵速度（角速度）を検出するための操舵速度センサ（操作速度検出手段）１５が設けられ、前記ラック＆ピニオン機構（６，７ａ）を収容するステアリングギアボックス（図示略）内には、ピニオン６に作用する操舵トルクを検出するための操舵トルクセンサ（操舵トルク検出手段）１６が設けられている。操舵速度センサ１５は検出した操舵速度に対応する電気信号を、操舵トルクセンサ１６は検出した操舵トルクに対応する電気信号を、それぞれステアリング制御装置２０に出力する。
また、車体の適所には、車両のヨーレート（挙動）を検出するためのヨーレートセンサ（ヨーレート検出手段、車両挙動検出手段）１８と、車速に対応した電気信号を出力する車速センサ１９とが取り付けられている。ヨーレートセンサ１８は検出したヨーレートに対応する電気信号を、車速センサ１９は車速に対応した電気信号を、それぞれステアリング制御装置２０に出力する。

そして、ステアリング制御装置２０は、これらセンサ１５，１６，１８，１９からの入力信号を処理して得られる制御信号により電動機１０に供給すべき目標電流を決定し、駆動回路２１を介して電動機１０に供給することにより電動機１０の出力トルクを制御し、ステアリング操作における補助操舵力を制御する。

次に、図２の制御ブロック図を参照して、この実施例における電動機１０に対する電流制御を説明する。
ステアリング制御装置２０は、ベース電流決定部３１、イナーシャ補正部３２、反力補正部（反力成分制御手段）３３を備えている。
ベース電流決定部３１においては、操舵トルクセンサ１６および車速センサ１９の出力信号に基づき、ベース電流テーブル（図示略）を参照して、操舵トルクと車速に応じたベース電流値が決定される。ここで、ベース電流テーブルは、操舵トルクが大きくなるにしたがってベース電流が大きくなり、車速が大きくなるにしたがってベース電流が小さくなるように設定されている。
イナーシャ補正部３２においては、ベース電流決定部３１で決定したベース電流に対し、電動機１０の慣性マス補償が行われる。

反力補正部３３は、前記慣性マス補償後の電流から反力成分に応じた補正電流を減算して、電動機１０に対する目標電流を算出し、この目標電流を駆動回路２１に出力する。駆動回路２１は、電動機１０への供給電流が目標電流となるように制御して、電動機１０に電流供給を行い、電動機１０の出力トルクを制御する。
したがって、この実施例の電動パワーステアリング装置においては、反力補正部３３において設定される補正電流は操舵アシスト力に対する反力成分ということができ、ベース電流決定部３１において設定されるベース電流はこの反力成分を相殺する前の操舵アシスト力ということができる。
反力補正部３３は、ダンパ補正部３４とヨーレート反力補正部３５とからなる。
ダンパ補正部３４は操舵速度に基づいて第１反力補正電流を算出し、前記慣性マス補償後の電流から第１反力補正電流を減算する。

ヨーレート反力補正部３５は、基本的にヨーレートに基づいて第２反力補正電流Ｉｍ２を算出し、ダンパ補正部３４から出力される電流から第２反力補正電流Ｉｍ２を減算して、目標電流を算出する。
ヨーレート反力補正部３５における第２反力補正電流Ｉｍ２の算出について詳述する。ヨーレート補正電流算出部３６において、ヨーレートセンサ１８の出力信号に基づき、ヨーレート補正電流テーブル（図示略）を参照して、基準ヨーレート補正電流Ｉｍｂを算出する。ここで、ヨーレート補正電流テーブルは、ヨーレートが大きくなるにしたがって基準ヨーレート補正電流Ｉｍｂが大きくなるように（換言すると、反力成分が大きくなるように）設定されている。

一方、車速センサ１９の出力信号に基づき、オフセットテーブル３７を参照して、車速に応じたオフセット速度を算出する。オフセットテーブル３７は、車速が低い領域ではオフセット速度が一定でその値は十分に大きく、所定の車速以上になると、車速の増大にしたがってオフセット速度が徐々に減少していき、最終的には「０」になるように設定されている。
そして、操舵速度センサ１５で検出した操舵速度の出力信号からオフセット速度を減算してレシオ算出用の操舵速度（以下、オフセット操舵速度と称す）を求め、操舵速度レシオテーブル３８を参照して、オフセット操舵速度θ'に応じたレシオＲを算出する。なお、操舵速度からオフセット操舵速度を減算した値（すなわち、オフセット操舵速度）が負の場合は、オフセット操舵速度θ'を「０」とする。

操舵速度レシオテーブル３８は、オフセット操舵速度θ'がθ'１よりも小さい領域ではレシオＲが「１．０」で一定であり、オフセット操舵速度θ'がθ'１以上θ'２以下ではオフセット操舵速度θ'が増加するにしたがってレシオＲが徐々に低下していき、オフセット操舵速度θ'がθ'２以上になるとレシオＲが一定になるように設定されている。
そして、基準ヨーレート補正電流算出部３６で算出した基準ヨーレート補正電流Ｉｍｂに、操舵トルクレシオテーブル３８から算出したレシオＲを乗じて得た積を第２反力補正電流Ｉｍ２とする（Ｉｍ２＝Ｉｍｂ・Ｒ）。

このようにヨーレート反力補正部３５により第２反力補正電流Ｉｍ２を決定しているので、ヨーレートに基づく反力成分は、基本的にはヨーレートの増大にしたがって大きくなるように制御される。しかしながら、操舵速度（正確に言えばオフセット操舵速度）の大きさに応じて変化するレシオＲを乗じていることから、ヨーレートの大きさが同じ場合で比較すると、操舵速度が大きい領域では操舵速度が小さい領域よりもヨーレートに基づく反力成分（第２反力補正電流Ｉｍ２）が小さく設定されることになる。

ここで、操舵速度が大きいということは操舵周波数が高いことであり、操舵速度が大きくなるほど操舵に対するヨーレートの位相遅れが大きくなり、ついには位相が反転する。この実施例では前述の如く、ヨーレートの位相遅れが大きくなる操舵速度領域（θ'１＜θ'＜θ'２）では、１よりも小さいレシオＲを基準ヨーレート補正電流Ｉｍｂに乗じて第２反力補正電流Ｉｍ２を算出しているので、ヨーレートに基づく反力成分を低減することができ、その結果、ヨーレートの位相遅れに起因する操舵力の減少（操舵力抜け）を抑制することができる。したがって、操舵速度が小さいときから大きいときまで全ての領域において良好な操舵フィーリングを実現することができる。

なお、操舵速度センサ１５で検出した操舵速度からオフセット速度を減算して得たオフセット操舵速度に基づいて、レシオＲを算出するようにした理由は次の通りである。
操舵速度レシオテーブル３８においてオフセット操舵速度がθ'１以下の領域ではレシオＲが「１．０」に設定されており、したがって、この領域に対応する操舵速度はヨーレートに基づく反力成分の設定に影響を及ぼさない。言ってみれば、θ'１以下のオフセット操舵速度領域は不感帯である。
ところで、ヨーレートの共振周波数は車速と関係があり、車速が低いときはヨーレートの共振周波数は高く、車速が高くなるにしたがってヨーレートの共振周波数は低くなることが知られている。そして、ヨーレートの共振周波数が低いということは、操舵速度が比較的に低いとき（換言すると、ゆっくりした操舵入力）でもヨーレートが位相反転し易くなるということであり、したがって、車速が高いときには不感帯を小さくし、車速が低いときには不感帯を大きくしたいという要求がある。この要求を実現するために、操舵速度から、車速に応じて変化するオフセット速度を減算して、オフセット操舵速度θ'を求め、このオフセット操舵速度θ'に基づいてレシオＲを算出している。

図３（Ａ）、（Ｂ）は、横軸を操舵速度として示すレシオ特性図であり、図３（Ａ）は車速が高い場合、図３（Ｂ）は車速が低い場合を示している。このように、オフセット操舵速度を用いることによって、低車速における不感帯（図３（Ｂ）参照）を高車速における不感帯（図３（Ａ）参照）よりも大きくすることができる。
このように車速に応じて不感帯を可変にしたので、、高車速では比較的に操舵速度の小さいときからヨーレートに基づく反力成分を低減することが可能になり、低車速では操舵速度が比較的に大きくなるまでヨーレートに基づく反力成分を低減しないようにすることが可能になる。

〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、車両の挙動をヨーレートから検出しているが、車両挙動は横加速度から検出することも可能である。したがって、この発明は、車両挙動である横加速度を横加速度センサ（横加速度検出手段、車両挙動検出手段）で検出し、前述した実施例においてヨーレートセンサ１８の検出値に対して行った一連の処理と同様の処理を、横加速度センサの検出値に対して行うことによっても、成立する。

この発明に係る反力制御装置は、前述した実施例の電動パワーステアリング装置への適用に限るものではなく、ステアリング・バイ・ワイヤ・システムの車両用操舵装置（ＳＢＷ）、アクティブ・ステアリング・システムの車両用操舵装置、バリアブル・ギヤ・レシオ・ステアリング・システムの車両用操舵装置（ＶＧＳ）にも適用可能である。
なお、ステアリング・バイ・ワイヤ・システムとは、操作子と転舵機構とが機械的に分離されていて、操作子に反力を作用させる反力モータと、転舵機構に設けられて転舵輪を転舵させる力を発生させるステアリングモータとを備えた操舵システムである。
アクティブ・ステアリング・システムとは、前輪舵角および後輪舵角を運転者のステアリング操作や車両の運動状況に応じて制御する操舵システムである。
バリアブル・ギヤ・レシオ・ステアリング・システムとは、操舵角の大きさに応じてステアリング・ギヤ・レシオを変更可能な操舵システムである。

この発明に係る反力制御装置を備えた電動パワーステアリング装置の構成図である。 前記電動パワーステアリング装置の電動機に対する電流制御のブロック図である。 高車速時と低車速のレシオ特性図である。

符号の説明

３ ステアリングホイール（操作子）
１５ 操舵速度センサ（操作速度検出手段）
１８ ヨーレートセンサ（ヨーレート検出手段、車両挙動検出手段）
３３ 反力補正部（反力成分制御手段）

Claims (2)

1. 車両の運転者により操作される操作子に作用させるべき反力成分を制御する反力制御装置において、
   前記操作子の操作速度を検出する操作速度検出手段と、
   前記車両の挙動を検出する車両挙動検出手段と、
   前記車両挙動検出手段の検出値が大きいほど前記反力成分を大きく設定し且つ前記操作速度検出手段の検出値が大きいほど前記反力成分を小さく設定する反力成分制御手段と、
   を備えることを特徴とする反力制御装置。
2. 前記反力成分制御手段は、前記反力成分の設定に影響を与えない操作速度領域を有し、該操作速度領域は車速が低いほど大きいことを特徴とする請求項１に記載の反力制御装置。
   

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