JP4007711B2 - 車両の操舵制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、操舵系に操舵補助トルクを付加するモータを有する電動パワーステアリング装置と、少なくとも操舵トルク検出手段で検出した操舵トルクに基づいてモータを駆動する制御手段とを備えた車両の操舵制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ドライバーがステアリングホイールに入力する操舵トルクを操舵輪に伝達して該操舵輪を転舵する操舵系にモータを介在させ、このモータに操舵補助トルクを発生させてドライバーのステアリング操作をアシストする電動パワーステアリング装置は周知である。またドライバーがステアリングホイールを操作する角度（即ち操舵角）に対する操舵輪の転舵角の比である舵角比を変更可能とした可変舵角比操舵装置が、特開平７−２５７４０６号公報により公知である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、車両が高速で旋回する際に操舵角が過大になるとタイヤのグリップ力が限界を越え、スリップが発生して車両挙動が不安定になる可能性がある。タイヤのグリップ力が失われるとドライバーがステアリングホイールから受ける操舵反力が減少するため、その感覚に基づいてドライバーは車両が旋回限界に達したことを認識し、テアリングホイールを戻したり車両を減速したりして車両挙動の安定を確保することができる。
【０００４】
しかしながら、タイヤのグリップ力が限界を越えてスリップが発生する前に、車両が旋回限界に接近したことをドライバーが予め認識することができれば、ステアリングホイールの戻し操作や車両の減速操作を一層的確に行って車両挙動の乱れを未然に回避することができる。
【０００５】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、車両が旋回限界に接近したことをドライバーに確実に報知できるようにして車両挙動の安定を図ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、操舵系に操舵補助トルクを付加するモータを有する電動パワーステアリング装置と、少なくとも操舵トルク検出手段で検出した操舵トルクに基づいてモータを駆動する制御手段とを備えた車両の操舵制御装置において、車両が旋回限界に接近したことを判定する旋回限界判定手段と、ステ アリングホイールに入力される操舵角の増分に対する操舵輪の転舵角の増分の比を変更可能な舵角比可変機構とを備えてなり、車両が旋回限界に接近したときには、前記制御手段が旋回限界判定手段の判定に基づいて、操舵補助トルクが増加するようにモータを駆動すると共に前記比を減少させるように前記舵角比可変機構を作動させることを特徴とする車両の操舵制御装置が提案される。
【０００７】
上記構成によれば、車両が旋回限界に接近すると電動パワーステアリング装置が発生する操舵補助トルクが増加するように制御されるため、ドライバーが受ける操舵反力が低下する。その結果、ドライバーは車両が旋回限界に達してタイヤがスリップしたときと同じ感覚を受け、車両が実際に旋回限界に達する前に旋回限界に接近したことを予知することができる。これにより、ドライバーの自発的なステアリング戻し操作や減速操作を促して車両挙動の安定を確保することができる。
【０００８】
また特に車両が旋回限界に接近するとステアリングホイールに入力される操舵角に対する操舵輪の転舵角の比が減少するので、前記した操舵反力の減少によりステアリングホイールが操舵角を増加させる方向に操作されても、操舵輪の転舵角が急激に増加するのを抑制し、車両が旋回限界に達するのを防止することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【００１０】
図１〜図１２は本発明の一実施例を示すもので、図１は電動パワーステアリング装置を備えた操舵系の説明図、図２は舵角比可変機構の縦断面図、図３は電動パワーステアリング装置の制御手段の回路構成を示すブロック図、図４は操舵トルクから目標電流を検索するマップを示す図、図５は路面摩擦係数とコーナリングパワーとの関係を示すグラフ、図６は内部モデルの設定に係わるフロー図、図７は操舵角と車両状態量との関係を示すグラフ、図８はΔＦｒｃ／ΔＦｒｍから路面摩擦係数を検索するマップを示す図、図９は旋回限界判定手段の回路構成を示すブロック図、図１０は路面摩擦係数から限界操舵角を検索するマップを示す図、図１１は制御開始前後の補正係数の変化を示すグラフ、図１２は制御開始前後の操舵角と転舵角との関係を示すグラフである。
【００１１】
図１は車両の操舵系を示すもので、ドライバーによってステアリングホイール２１に入力された操舵トルクは、ステアリングシャフト２２、連結軸２３、舵角比可変機構３２およびピニオン２４を介してラック軸２５に伝達され、更にラック軸２５の往復動は左右のタイロッド２６，２６を介して操舵輪である左右の前輪ＷFL，ＷFRに伝達されて該前輪ＷFL，ＷFRを転舵する。操舵系に設けられた電動パワーステアリング装置Ｓは、モータ２７の出力軸に設けた駆動ギヤ２８と、この駆動ギヤ２８に噛み合う従動ギヤ２９と、この従動ギヤ２９と一体のスクリューシャフト３０と、このスクリューシャフト３０に噛み合うとともに前記ラック軸２５に連結されたナット３１とを備える。
【００１２】
舵角比可変機構３２は、ステアリングホイール２１に入力される操舵角θS の増分ΔθS に対する前輪ＷFL，ＷFRの転舵角δの増分Δδの比Δδ／ΔθS を変更するためのもので、既に公知の任意の構造のものを適用することが可能であるが、その一例を図２に基づいて説明する。
【００１３】
ステアリングホイール２１に接続されて該ステアリングホイール２１と同速度で回転する入力軸４１が、支持部材４２にボールベアリング４３を介して回転自在に支持される。ボールベアリング４３を支持する支持部材４４から延びる一対の支持ピン４５，４６が支持部材４２に摺動自在に支持されており、一方の支持ピン４５が図示せぬモータにラック・ピニオン機構４７を介して接続される。従って、入力軸４１、支持部材４２およびボールベアリング４３は支持ピン４５，４６の軸方向に一体で移動可能である。
【００１４】
入力軸４１の下端に一体に形成されたカップリング４８の内部に支持されたスライダ４９は、カップリング４８に対して支持ピン４５，４６の長手方向（図中左右方向）にスライド自在である。ラック軸２５に噛み合うピニオン２４は２個のボールベアリング５０，５１を介して支持部材４２に支持されており、ピニオン２４の上面に突出する偏心ピン５２がスライダ４９に形成したピン穴４９1 に嵌合する。
【００１５】
従って、入力軸４１が図中左右方向に移動すると、スライダ４９がカップリング４８に対して左右にスライドし、入力軸４１の軸線Ｌ1 およびピニオン２４の軸線Ｌ2 の偏心量ｄが変化する。その結果、入力軸４１の回転角に対するピニオン２４の回転角の比が変化するため、ステアリングホイール２１の回転角の増分（つまり操舵角θS の増分ΔθS ）に対する前輪ＷFL，ＷFRの転舵角δの増分Δδの比Δδ／ΔθS が変化する。
【００１６】
図１に戻り、本発明の制御手段を構成する電子制御ユニットＵは、操舵トルク検出手段Ｓ1 で検出した操舵トルクＴS と、操舵角検出手段Ｓ2 で検出した操舵角θS と、電流検出手段Ｓ3 で検出したモータ２７の電流ＩM と、電圧検出手段Ｓ4 で検出したモータ２７の電圧ＶM と、車速検出手段Ｓ5 で検出した車速Ｖとに基づいて電動パワーステアリング装置Ｓのモータ２７の作動を制御する。
【００１７】
図３に示すように、電動パワーステアリング装置Ｓの電子制御ユニットＵは、目標電流設定手段Ｍ１と、モータ制御手段Ｍ２と、路面状態検出手段Ｍ３と、旋回限界判定手段Ｍ４とを備える。
【００１８】
目標電流設定手段Ｍ１は、操舵トルク検出手段Ｓ1 で検出した操舵トルクＴS および車速検出手段Ｓ5 で検出した車速Ｖに基づいてモータ２７を駆動する目標電流ＩMSを、図４に示すマップから検索する。すなわち、目標電流設定手段Ｍ１でマップ検索される目標電流ＩMSは、操舵トルクＴS の増加に応じて所定の上限値まで増加した後に前記上限値に保持されるもので、その増加の程度は車速Ｖが小さいときほど大きくなる。従って、ドライバーがステアリングホイール２１に加える操舵トルクＴS が大きいほど、またステアリング操作が重くなる低車速時ほど、電動パワーステアリング装置Ｓに大きい操舵補助トルクを発生させてドライバーのステアリング操作をアシストすることができる。
【００１９】
目標電流設定手段Ｍ１が出力する目標電流ＩMSは、乗算手段３３において後述する補正係数Ｋ1 を乗算された後に減算手段３４に入力され、そこで電流検出手段Ｓ3 で検出したモータ２７の電流ＩM を減算した偏差Ｋ1 ×ＩMS−ＩM が算出され、その偏差Ｋ1 ×ＩMS−ＩM がモータ制御手段Ｍ２に入力される。モータ制御手段Ｍ２は、前記偏差Ｋ1 ×ＩMS−ＩM を０に収束させるべく、電動パワーステアリング装置Ｓのモータをフィードバック制御する。
【００２０】
路面状態検出手段Ｍ３は、操舵トルク検出手段Ｓ1 で検出した操舵トルクＴS と、電流検出手段Ｓ3 で検出したモータ電流ＩM と、電圧検出手段Ｓ4 で検出したモータ電圧ＶM とに基づいて路面摩擦係数μを推定する。旋回限界判定手段Ｍ４は、路面状態検出手段Ｍ３で推定した路面摩擦係数μと、操舵角検出手段Ｓ2 で検出した操舵角θS とに基づいて車両が旋回限界（タイヤのグリップ力が失われる限界）に接近したか否かを判定し、旋回限界に接近したと判定されると前記補正係数Ｋ1 の値を１．０から１．５に変更する。その結果、目標電流設定手段Ｍ１で算出した目標電流ＩMSが補正係数Ｋ1 によって増加方向に補正されるため、電動パワーステアリング装置Ｓが発生する操舵補助トルクが増加し、ドライバーがステアリングホイール２１から受ける操舵反力が減少する。この操舵反力の減少については、後から詳述する。
【００２１】
次に、路面状態検出手段Ｍ３による路面摩擦係数μの推定の具体的手法について説明する。
【００２２】
先ず、タイヤのコーナリングパワーＣｐは、ＦＩＡＬＡの式（第２項まで）から、以下のように表される。
【００２３】
Ｃｐ＝Ｋｃ（１−０．０１６６Ｋｃ／μＬ）
但し、Ｋｃ；コーナリングスティフネス
μ；路面摩擦係数
Ｌ；接地荷重
【００２４】
即ち、路面摩擦係数μが低いほどタイヤのコーナリングパワーＣｐが減少する（図５参照）ので、ラック・ピンオン式の操舵装置の場合、同一操舵角での路面から受けるラック軸反力は、路面摩擦係数μの低下に応じて小さくなる。従って、操舵角およびラック軸反力を実測し、操舵角に対する実ラック軸反力と、予め内部モデルとして設定された基準ラック軸反力とを比較すれば、路面摩擦係数μを推定することができる。
【００２５】
実ラック軸反力Ｆｒｃ、即ち路面反力は、操舵トルクＴS 、電動パワーステアリング装置Ｓのモータ電圧ＶM およびモータ電流ＩM から、以下のようにして推定することができる。
【００２６】
先ず、電動パワーステアリング装置Ｓにおけるモータ２７の出力軸トルクＴM は次式で与えられる。
【００２７】
ＴM ＝Ｋｔ・ＩM −ＪM ・θM ”−ＣM ・θM ’±Ｔｆ
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
θM ’；モータ角速度
θM ”；モータ角加速度
ＣM ；モータ粘性係数
Ｔｆ；フリクショントルク
【００２８】
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回りのフリクション項は微小なので省略すると、ラック軸上の力の釣り合いは、近似的に次式で表わされる。
【００２９】
ＦR ＝ＦS ＋ＦM
＝ＴS ／ｒｐ＋Ｎ（Ｋｔ・ＩM −ＪM ・θM ”−ＣM ・θM ’）
但し、ＦR ；路面からのラック軸反力
ＦS ；ピンオンからのラック軸力
ＦM ；モータからのラック軸力
ＴS ；操舵トルク
ｒｐ；ピニオン半径
Ｎ；モータ出力ギヤ比
【００３０】
尚、モータ角速度θM ’は、操舵角検出手段Ｓ2 で検出した操舵角θS を微分することにより求められ、モータ角加速度θM ”は、モータ角速度θM ’を微分することにより得られる。
【００３１】
次に、実ラック軸反力Ｆｒｃの比較基準となる内部モデルは、以下のようにして設定する。
【００３２】
図６に示すように、ステアリングホイール２１から入力された操舵角θS は、ピニオン２４との伝達比Ｎを介してラック軸２５のストローク量に変換される。このラック軸２５のストローク量に応じて前輪横滑り角φS が生ずる。ここでラック軸２５のストローク量に対する前輪横滑り角φS の伝達関数Ｇβ（ｓ）は、路面摩擦係数μの変化に伴うスタビリティファクタの変化によって変化する。
【００３３】
前輪横滑り角φS にコーナリングパワーＣｐとトレールξ（キャスタトレール＋ニューマチックトレール）とを乗算することにより、キングピン回りのモーメントが得られる。ここでコーナリングパワーＣｐおよびニューマチックトレールは、路面摩擦係数μおよび接地荷重Ｌによって変化する。
【００３４】
キングピン回りのモーメントを、タイヤ回転中心とラック軸中心間距離、即ちナックルアーム長ｒｋで割ることで、モデルラック軸反力Ｆｒｍが得られる。
【００３５】
以上から、操舵角θS に対するモデルラック軸反力Ｆｒｍの応答は、各諸元に基づく計算結果、或いは実車計測値からの同定結果から導き出した１つの伝達関数Ｇｆ（ｓ）をもって置換可能であることが分かる。
【００３６】
上記のようにして求めた実ラック軸反力値Ｆｒｃおよびモデルラック軸反力値Ｆｒｍから、操舵角θS の増加に対する実およびモデルラック軸反力の増加率を求め（図７参照）、車両の応答が線形に近似した舵角範囲内に於いて、実ラック軸反力増加率ΔＦｒｃ／ΔθS と、モデルラック軸反力増加率ΔＦｒｍ／ΔθS 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を参照して路面摩擦係数μを推定することができる（図８参照）。
【００３７】
図９に示すように、路面状態検出手段Ｍ３で推定した路面摩擦係数μと、操舵角検出手段Ｓ2 で検出した操舵角θS とが入力される旋回限界判定手段Ｍ４は、限界操舵角算出手段Ｍ５と、除算手段Ｍ６と、微分手段Ｍ７と、補正係数出力手段Ｍ８とを備える。
【００３８】
限界操舵角算出手段Ｍ５は、路面摩擦係数μを図１０に示すマップに適用して限界操舵角θMAX を算出する。限界操舵角θMAX は、操舵角θS をそれ以上増加させるとタイヤがスリップする限界を与えるもので、その値は路面摩擦係数μの増加に応じて増加する。除算手段Ｍ６は、操舵角検出手段Ｓ2 で検出した操舵角θS を前記限界操舵角θMAX で除算し、その商であるθS ／θMAX を補正係数出力手段Ｍ８に出力する。前記θS ／θMAX に加えて、操舵角検出手段Ｓ2 で検出した操舵角θS を微分手段Ｍ７で微分して得た操舵角速度θS ′が入力される補正係数出力手段Ｍ８は、判定値｜θS ／θMAX ＋ＫθS ′｜を算出する（Ｋは正の定数）。そして判定値｜θS ／θMAX ＋ＫθS ′｜が予め設定した操舵補助トルク増加制御を開始する閾値である０．９未満のときは、車両がまだ旋回限界に接近していないと判定して補正係数Ｋ1 ＝１．０を出力し、判定値｜θS ／θMAX ＋ＫθS ′｜が０．９以上のときは、車両が旋回限界に接近したと判定して補正係数Ｋ1 ＝１．５を出力する（図１１参照）。
【００３９】
尚、判定値｜θS ／θMAX ＋ＫθS ′｜の第２項のＫθS ′の機能は以下のとおりである。即ち、操舵角速度θS ′が大きい急激なステアリング操作が行われた場合には、操舵系の慣性による操舵エネルギーが大きくなって操舵角θS が過大になる可能性がある。そこでθS ／θMAX にＫθS ′を加算して操舵角速度θS ′が大きいときほどθS ／θMAX を増加方向に補正することにより、判定値｜θS ／θMAX ＋ＫθS ′｜が早めに０．９以上になるようにし、車両が旋回限界に接近したとの判定に遅れが生じるのを防止することができる。
【００４０】
而して、判定値｜θS ／θMAX ＋ＫθS ′｜が０．９以上になると、図１１に示すように、補正係数Ｋ1 が１．０から１．５にステップ状に増加するため、目標電流設定手段Ｍ１で算出した目標電流ＩMSに補正係数Ｋ1 ＝１．５を乗算した補正後の目標電流ＩMSは５０％増加することになる。その結果、電動パワーステアリング装置Ｓが発生する操舵補助トルクが５０％増加し、ドライバーがステアリングホイール２１から受ける操舵反力が急激に減少する。そのためにドライバーはタイヤがスリップしたときと同じ感覚を受け、車両が実際に旋回限界に達してタイヤがスリップする前に旋回限界に接近したことを予知することが可能となり、ドライバーは車両を減速したりステアリングホイール２１を戻すことにより車両挙動の安定を確保することができる。
【００４１】
このようにドライバーがステアリングホイール２１から受ける操舵反力が急激に減少すると、ステアリングホイール２１が慣性で瞬間的に操舵方向に回転してしまい、操舵角θS が更に増加して旋回限界に接近する可能性がある。しかしながら、操舵補助トルク増加制御が開始されて操舵反力が減少すると同時に、電子制御ユニットＵからの指令で舵角比可変機構３２が作動し、図１２に示すように、ステアリングホイール２１に入力される操舵角θS の増分ΔθS に対する前輪ＷFL，ＷFRの転舵角δの増分Δδの比Δδ／ΔθS が減少方向に変化するため、ステアリングホイール２１が瞬間的に操舵方向に回転しても前輪ＷFL，ＷFRの転舵角δは大きく増加することがない。その結果、操舵補助トルク増加制御を開始するための閾値が実際の旋回限界の９０％に抑えられていることと相俟って、車両が実際に旋回限界に達してタイヤがスリップするのを確実に防止することができる。
【００４２】
車両が旋回限界に接近したことを予知したドライバーがステアリングホイール２１を戻した結果、判定値｜θS ／θMAX ＋ＫθS ′｜が０．９未満になると、補正係数出力手段Ｍ８が出力する補正係数Ｋ1 が１．５から１．０に復帰して操舵補助トルク増加制御が終了するが、その復帰は瞬間的にではなく緩やかに行われる。これにより、ドライバーがステアリングホイール２１から受ける操舵反力が急激に変化するのを防止してドライバーの違和感を軽減することができる。
【００４３】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００４４】
例えば、実施例では操舵補助トルク増加制御を開始する閾値を０．９に設定しているが、その値は適宜変更可能である。また実施例では操舵補助トルク増加制御を開始した後の補正係数Ｋ1 を１．５に設定しているが、その値は適宜変更可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、車両が旋回限界に接近すると電動パワーステアリング装置が発生する操舵補助トルクが増加するように制御されるため、ドライバーが受ける操舵反力が低下する。その結果、ドライバーは車両が旋回限界に達してタイヤがスリップしたときと同じ感覚を受け、車両が実際に旋回限界に達する前に旋回限界に接近したことを予知することができる。これにより、ドライバーの自発的なステアリング戻し操作や減速操作を促して車両挙動の安定を確保することができる。
【００４６】
また特に車両が旋回限界に接近するとステアリングホイールに入力される操舵角に対する操舵輪の転舵角の比が減少するので、前記した操舵反力の減少によりステアリングホイールが操舵角を増加させる方向に操作されても、操舵輪の転舵角が急激に増加するのを抑制し、車両が旋回限界に達するのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 電動パワーステアリング装置を備えた操舵系の説明図
【図２】 舵角比可変機構の縦断面図
【図３】 電動パワーステアリング装置の制御手段の回路構成を示すブロック図
【図４】 操舵トルクから目標電流を検索するマップを示す図
【図５】 路面摩擦係数とコーナリングパワーとの関係を示すグラフ
【図６】 内部モデルの設定に係わるフロー図
【図７】 操舵角と車両状態量との関係を示すグラフ
【図８】 ΔＦｒｃ／ΔＦｒｍから路面摩擦係数を検索するマップを示す図
【図９】 旋回限界判定手段の回路構成を示すブロック図
【図１０】 路面摩擦係数から限界操舵角を検索するマップを示す図
【図１１】 制御開始前後の補正係数の変化を示すグラフ
【図１２】 制御開始前後の操舵角と転舵角との関係を示すグラフ
【符号の説明】
Ｍ４ 旋回限界判定手段
Ｓ 電動パワーステアリング装置
Ｓ1 操舵トルク検出手段
Ｕ 電子制御ユニット（制御手段）
ＷFL 左前輪（操舵輪）
ＷFR 右前輪（操舵輪）
Δδ 転舵角の増分
θS 操舵角
ΔθS 操舵角の増分
Δδ／ΔθS 操舵角の増分に対する転舵角の増分の比
２１ ステアリングホイール
２７ モータ
３２ 舵角比可変機構
【発明の属する技術分野】
本発明は、操舵系に操舵補助トルクを付加するモータを有する電動パワーステアリング装置と、少なくとも操舵トルク検出手段で検出した操舵トルクに基づいてモータを駆動する制御手段とを備えた車両の操舵制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ドライバーがステアリングホイールに入力する操舵トルクを操舵輪に伝達して該操舵輪を転舵する操舵系にモータを介在させ、このモータに操舵補助トルクを発生させてドライバーのステアリング操作をアシストする電動パワーステアリング装置は周知である。またドライバーがステアリングホイールを操作する角度（即ち操舵角）に対する操舵輪の転舵角の比である舵角比を変更可能とした可変舵角比操舵装置が、特開平７−２５７４０６号公報により公知である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、車両が高速で旋回する際に操舵角が過大になるとタイヤのグリップ力が限界を越え、スリップが発生して車両挙動が不安定になる可能性がある。タイヤのグリップ力が失われるとドライバーがステアリングホイールから受ける操舵反力が減少するため、その感覚に基づいてドライバーは車両が旋回限界に達したことを認識し、テアリングホイールを戻したり車両を減速したりして車両挙動の安定を確保することができる。
【０００４】
しかしながら、タイヤのグリップ力が限界を越えてスリップが発生する前に、車両が旋回限界に接近したことをドライバーが予め認識することができれば、ステアリングホイールの戻し操作や車両の減速操作を一層的確に行って車両挙動の乱れを未然に回避することができる。
【０００５】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、車両が旋回限界に接近したことをドライバーに確実に報知できるようにして車両挙動の安定を図ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、操舵系に操舵補助トルクを付加するモータを有する電動パワーステアリング装置と、少なくとも操舵トルク検出手段で検出した操舵トルクに基づいてモータを駆動する制御手段とを備えた車両の操舵制御装置において、車両が旋回限界に接近したことを判定する旋回限界判定手段と、ステ アリングホイールに入力される操舵角の増分に対する操舵輪の転舵角の増分の比を変更可能な舵角比可変機構とを備えてなり、車両が旋回限界に接近したときには、前記制御手段が旋回限界判定手段の判定に基づいて、操舵補助トルクが増加するようにモータを駆動すると共に前記比を減少させるように前記舵角比可変機構を作動させることを特徴とする車両の操舵制御装置が提案される。
【０００７】
上記構成によれば、車両が旋回限界に接近すると電動パワーステアリング装置が発生する操舵補助トルクが増加するように制御されるため、ドライバーが受ける操舵反力が低下する。その結果、ドライバーは車両が旋回限界に達してタイヤがスリップしたときと同じ感覚を受け、車両が実際に旋回限界に達する前に旋回限界に接近したことを予知することができる。これにより、ドライバーの自発的なステアリング戻し操作や減速操作を促して車両挙動の安定を確保することができる。
【０００８】
また特に車両が旋回限界に接近するとステアリングホイールに入力される操舵角に対する操舵輪の転舵角の比が減少するので、前記した操舵反力の減少によりステアリングホイールが操舵角を増加させる方向に操作されても、操舵輪の転舵角が急激に増加するのを抑制し、車両が旋回限界に達するのを防止することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【００１０】
図１〜図１２は本発明の一実施例を示すもので、図１は電動パワーステアリング装置を備えた操舵系の説明図、図２は舵角比可変機構の縦断面図、図３は電動パワーステアリング装置の制御手段の回路構成を示すブロック図、図４は操舵トルクから目標電流を検索するマップを示す図、図５は路面摩擦係数とコーナリングパワーとの関係を示すグラフ、図６は内部モデルの設定に係わるフロー図、図７は操舵角と車両状態量との関係を示すグラフ、図８はΔＦｒｃ／ΔＦｒｍから路面摩擦係数を検索するマップを示す図、図９は旋回限界判定手段の回路構成を示すブロック図、図１０は路面摩擦係数から限界操舵角を検索するマップを示す図、図１１は制御開始前後の補正係数の変化を示すグラフ、図１２は制御開始前後の操舵角と転舵角との関係を示すグラフである。
【００１１】
図１は車両の操舵系を示すもので、ドライバーによってステアリングホイール２１に入力された操舵トルクは、ステアリングシャフト２２、連結軸２３、舵角比可変機構３２およびピニオン２４を介してラック軸２５に伝達され、更にラック軸２５の往復動は左右のタイロッド２６，２６を介して操舵輪である左右の前輪ＷFL，ＷFRに伝達されて該前輪ＷFL，ＷFRを転舵する。操舵系に設けられた電動パワーステアリング装置Ｓは、モータ２７の出力軸に設けた駆動ギヤ２８と、この駆動ギヤ２８に噛み合う従動ギヤ２９と、この従動ギヤ２９と一体のスクリューシャフト３０と、このスクリューシャフト３０に噛み合うとともに前記ラック軸２５に連結されたナット３１とを備える。
【００１２】
舵角比可変機構３２は、ステアリングホイール２１に入力される操舵角θS の増分ΔθS に対する前輪ＷFL，ＷFRの転舵角δの増分Δδの比Δδ／ΔθS を変更するためのもので、既に公知の任意の構造のものを適用することが可能であるが、その一例を図２に基づいて説明する。
【００１３】
ステアリングホイール２１に接続されて該ステアリングホイール２１と同速度で回転する入力軸４１が、支持部材４２にボールベアリング４３を介して回転自在に支持される。ボールベアリング４３を支持する支持部材４４から延びる一対の支持ピン４５，４６が支持部材４２に摺動自在に支持されており、一方の支持ピン４５が図示せぬモータにラック・ピニオン機構４７を介して接続される。従って、入力軸４１、支持部材４２およびボールベアリング４３は支持ピン４５，４６の軸方向に一体で移動可能である。
【００１４】
入力軸４１の下端に一体に形成されたカップリング４８の内部に支持されたスライダ４９は、カップリング４８に対して支持ピン４５，４６の長手方向（図中左右方向）にスライド自在である。ラック軸２５に噛み合うピニオン２４は２個のボールベアリング５０，５１を介して支持部材４２に支持されており、ピニオン２４の上面に突出する偏心ピン５２がスライダ４９に形成したピン穴４９1 に嵌合する。
【００１５】
従って、入力軸４１が図中左右方向に移動すると、スライダ４９がカップリング４８に対して左右にスライドし、入力軸４１の軸線Ｌ1 およびピニオン２４の軸線Ｌ2 の偏心量ｄが変化する。その結果、入力軸４１の回転角に対するピニオン２４の回転角の比が変化するため、ステアリングホイール２１の回転角の増分（つまり操舵角θS の増分ΔθS ）に対する前輪ＷFL，ＷFRの転舵角δの増分Δδの比Δδ／ΔθS が変化する。
【００１６】
図１に戻り、本発明の制御手段を構成する電子制御ユニットＵは、操舵トルク検出手段Ｓ1 で検出した操舵トルクＴS と、操舵角検出手段Ｓ2 で検出した操舵角θS と、電流検出手段Ｓ3 で検出したモータ２７の電流ＩM と、電圧検出手段Ｓ4 で検出したモータ２７の電圧ＶM と、車速検出手段Ｓ5 で検出した車速Ｖとに基づいて電動パワーステアリング装置Ｓのモータ２７の作動を制御する。
【００１７】
図３に示すように、電動パワーステアリング装置Ｓの電子制御ユニットＵは、目標電流設定手段Ｍ１と、モータ制御手段Ｍ２と、路面状態検出手段Ｍ３と、旋回限界判定手段Ｍ４とを備える。
【００１８】
目標電流設定手段Ｍ１は、操舵トルク検出手段Ｓ1 で検出した操舵トルクＴS および車速検出手段Ｓ5 で検出した車速Ｖに基づいてモータ２７を駆動する目標電流ＩMSを、図４に示すマップから検索する。すなわち、目標電流設定手段Ｍ１でマップ検索される目標電流ＩMSは、操舵トルクＴS の増加に応じて所定の上限値まで増加した後に前記上限値に保持されるもので、その増加の程度は車速Ｖが小さいときほど大きくなる。従って、ドライバーがステアリングホイール２１に加える操舵トルクＴS が大きいほど、またステアリング操作が重くなる低車速時ほど、電動パワーステアリング装置Ｓに大きい操舵補助トルクを発生させてドライバーのステアリング操作をアシストすることができる。
【００１９】
目標電流設定手段Ｍ１が出力する目標電流ＩMSは、乗算手段３３において後述する補正係数Ｋ1 を乗算された後に減算手段３４に入力され、そこで電流検出手段Ｓ3 で検出したモータ２７の電流ＩM を減算した偏差Ｋ1 ×ＩMS−ＩM が算出され、その偏差Ｋ1 ×ＩMS−ＩM がモータ制御手段Ｍ２に入力される。モータ制御手段Ｍ２は、前記偏差Ｋ1 ×ＩMS−ＩM を０に収束させるべく、電動パワーステアリング装置Ｓのモータをフィードバック制御する。
【００２０】
路面状態検出手段Ｍ３は、操舵トルク検出手段Ｓ1 で検出した操舵トルクＴS と、電流検出手段Ｓ3 で検出したモータ電流ＩM と、電圧検出手段Ｓ4 で検出したモータ電圧ＶM とに基づいて路面摩擦係数μを推定する。旋回限界判定手段Ｍ４は、路面状態検出手段Ｍ３で推定した路面摩擦係数μと、操舵角検出手段Ｓ2 で検出した操舵角θS とに基づいて車両が旋回限界（タイヤのグリップ力が失われる限界）に接近したか否かを判定し、旋回限界に接近したと判定されると前記補正係数Ｋ1 の値を１．０から１．５に変更する。その結果、目標電流設定手段Ｍ１で算出した目標電流ＩMSが補正係数Ｋ1 によって増加方向に補正されるため、電動パワーステアリング装置Ｓが発生する操舵補助トルクが増加し、ドライバーがステアリングホイール２１から受ける操舵反力が減少する。この操舵反力の減少については、後から詳述する。
【００２１】
次に、路面状態検出手段Ｍ３による路面摩擦係数μの推定の具体的手法について説明する。
【００２２】
先ず、タイヤのコーナリングパワーＣｐは、ＦＩＡＬＡの式（第２項まで）から、以下のように表される。
【００２３】
Ｃｐ＝Ｋｃ（１−０．０１６６Ｋｃ／μＬ）
但し、Ｋｃ；コーナリングスティフネス
μ；路面摩擦係数
Ｌ；接地荷重
【００２４】
即ち、路面摩擦係数μが低いほどタイヤのコーナリングパワーＣｐが減少する（図５参照）ので、ラック・ピンオン式の操舵装置の場合、同一操舵角での路面から受けるラック軸反力は、路面摩擦係数μの低下に応じて小さくなる。従って、操舵角およびラック軸反力を実測し、操舵角に対する実ラック軸反力と、予め内部モデルとして設定された基準ラック軸反力とを比較すれば、路面摩擦係数μを推定することができる。
【００２５】
実ラック軸反力Ｆｒｃ、即ち路面反力は、操舵トルクＴS 、電動パワーステアリング装置Ｓのモータ電圧ＶM およびモータ電流ＩM から、以下のようにして推定することができる。
【００２６】
先ず、電動パワーステアリング装置Ｓにおけるモータ２７の出力軸トルクＴM は次式で与えられる。
【００２７】
ＴM ＝Ｋｔ・ＩM −ＪM ・θM ”−ＣM ・θM ’±Ｔｆ
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
θM ’；モータ角速度
θM ”；モータ角加速度
ＣM ；モータ粘性係数
Ｔｆ；フリクショントルク
【００２８】
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回りのフリクション項は微小なので省略すると、ラック軸上の力の釣り合いは、近似的に次式で表わされる。
【００２９】
ＦR ＝ＦS ＋ＦM
＝ＴS ／ｒｐ＋Ｎ（Ｋｔ・ＩM −ＪM ・θM ”−ＣM ・θM ’）
但し、ＦR ；路面からのラック軸反力
ＦS ；ピンオンからのラック軸力
ＦM ；モータからのラック軸力
ＴS ；操舵トルク
ｒｐ；ピニオン半径
Ｎ；モータ出力ギヤ比
【００３０】
尚、モータ角速度θM ’は、操舵角検出手段Ｓ2 で検出した操舵角θS を微分することにより求められ、モータ角加速度θM ”は、モータ角速度θM ’を微分することにより得られる。
【００３１】
次に、実ラック軸反力Ｆｒｃの比較基準となる内部モデルは、以下のようにして設定する。
【００３２】
図６に示すように、ステアリングホイール２１から入力された操舵角θS は、ピニオン２４との伝達比Ｎを介してラック軸２５のストローク量に変換される。このラック軸２５のストローク量に応じて前輪横滑り角φS が生ずる。ここでラック軸２５のストローク量に対する前輪横滑り角φS の伝達関数Ｇβ（ｓ）は、路面摩擦係数μの変化に伴うスタビリティファクタの変化によって変化する。
【００３３】
前輪横滑り角φS にコーナリングパワーＣｐとトレールξ（キャスタトレール＋ニューマチックトレール）とを乗算することにより、キングピン回りのモーメントが得られる。ここでコーナリングパワーＣｐおよびニューマチックトレールは、路面摩擦係数μおよび接地荷重Ｌによって変化する。
【００３４】
キングピン回りのモーメントを、タイヤ回転中心とラック軸中心間距離、即ちナックルアーム長ｒｋで割ることで、モデルラック軸反力Ｆｒｍが得られる。
【００３５】
以上から、操舵角θS に対するモデルラック軸反力Ｆｒｍの応答は、各諸元に基づく計算結果、或いは実車計測値からの同定結果から導き出した１つの伝達関数Ｇｆ（ｓ）をもって置換可能であることが分かる。
【００３６】
上記のようにして求めた実ラック軸反力値Ｆｒｃおよびモデルラック軸反力値Ｆｒｍから、操舵角θS の増加に対する実およびモデルラック軸反力の増加率を求め（図７参照）、車両の応答が線形に近似した舵角範囲内に於いて、実ラック軸反力増加率ΔＦｒｃ／ΔθS と、モデルラック軸反力増加率ΔＦｒｍ／ΔθS 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を参照して路面摩擦係数μを推定することができる（図８参照）。
【００３７】
図９に示すように、路面状態検出手段Ｍ３で推定した路面摩擦係数μと、操舵角検出手段Ｓ2 で検出した操舵角θS とが入力される旋回限界判定手段Ｍ４は、限界操舵角算出手段Ｍ５と、除算手段Ｍ６と、微分手段Ｍ７と、補正係数出力手段Ｍ８とを備える。
【００３８】
限界操舵角算出手段Ｍ５は、路面摩擦係数μを図１０に示すマップに適用して限界操舵角θMAX を算出する。限界操舵角θMAX は、操舵角θS をそれ以上増加させるとタイヤがスリップする限界を与えるもので、その値は路面摩擦係数μの増加に応じて増加する。除算手段Ｍ６は、操舵角検出手段Ｓ2 で検出した操舵角θS を前記限界操舵角θMAX で除算し、その商であるθS ／θMAX を補正係数出力手段Ｍ８に出力する。前記θS ／θMAX に加えて、操舵角検出手段Ｓ2 で検出した操舵角θS を微分手段Ｍ７で微分して得た操舵角速度θS ′が入力される補正係数出力手段Ｍ８は、判定値｜θS ／θMAX ＋ＫθS ′｜を算出する（Ｋは正の定数）。そして判定値｜θS ／θMAX ＋ＫθS ′｜が予め設定した操舵補助トルク増加制御を開始する閾値である０．９未満のときは、車両がまだ旋回限界に接近していないと判定して補正係数Ｋ1 ＝１．０を出力し、判定値｜θS ／θMAX ＋ＫθS ′｜が０．９以上のときは、車両が旋回限界に接近したと判定して補正係数Ｋ1 ＝１．５を出力する（図１１参照）。
【００３９】
尚、判定値｜θS ／θMAX ＋ＫθS ′｜の第２項のＫθS ′の機能は以下のとおりである。即ち、操舵角速度θS ′が大きい急激なステアリング操作が行われた場合には、操舵系の慣性による操舵エネルギーが大きくなって操舵角θS が過大になる可能性がある。そこでθS ／θMAX にＫθS ′を加算して操舵角速度θS ′が大きいときほどθS ／θMAX を増加方向に補正することにより、判定値｜θS ／θMAX ＋ＫθS ′｜が早めに０．９以上になるようにし、車両が旋回限界に接近したとの判定に遅れが生じるのを防止することができる。
【００４０】
而して、判定値｜θS ／θMAX ＋ＫθS ′｜が０．９以上になると、図１１に示すように、補正係数Ｋ1 が１．０から１．５にステップ状に増加するため、目標電流設定手段Ｍ１で算出した目標電流ＩMSに補正係数Ｋ1 ＝１．５を乗算した補正後の目標電流ＩMSは５０％増加することになる。その結果、電動パワーステアリング装置Ｓが発生する操舵補助トルクが５０％増加し、ドライバーがステアリングホイール２１から受ける操舵反力が急激に減少する。そのためにドライバーはタイヤがスリップしたときと同じ感覚を受け、車両が実際に旋回限界に達してタイヤがスリップする前に旋回限界に接近したことを予知することが可能となり、ドライバーは車両を減速したりステアリングホイール２１を戻すことにより車両挙動の安定を確保することができる。
【００４１】
このようにドライバーがステアリングホイール２１から受ける操舵反力が急激に減少すると、ステアリングホイール２１が慣性で瞬間的に操舵方向に回転してしまい、操舵角θS が更に増加して旋回限界に接近する可能性がある。しかしながら、操舵補助トルク増加制御が開始されて操舵反力が減少すると同時に、電子制御ユニットＵからの指令で舵角比可変機構３２が作動し、図１２に示すように、ステアリングホイール２１に入力される操舵角θS の増分ΔθS に対する前輪ＷFL，ＷFRの転舵角δの増分Δδの比Δδ／ΔθS が減少方向に変化するため、ステアリングホイール２１が瞬間的に操舵方向に回転しても前輪ＷFL，ＷFRの転舵角δは大きく増加することがない。その結果、操舵補助トルク増加制御を開始するための閾値が実際の旋回限界の９０％に抑えられていることと相俟って、車両が実際に旋回限界に達してタイヤがスリップするのを確実に防止することができる。
【００４２】
車両が旋回限界に接近したことを予知したドライバーがステアリングホイール２１を戻した結果、判定値｜θS ／θMAX ＋ＫθS ′｜が０．９未満になると、補正係数出力手段Ｍ８が出力する補正係数Ｋ1 が１．５から１．０に復帰して操舵補助トルク増加制御が終了するが、その復帰は瞬間的にではなく緩やかに行われる。これにより、ドライバーがステアリングホイール２１から受ける操舵反力が急激に変化するのを防止してドライバーの違和感を軽減することができる。
【００４３】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００４４】
例えば、実施例では操舵補助トルク増加制御を開始する閾値を０．９に設定しているが、その値は適宜変更可能である。また実施例では操舵補助トルク増加制御を開始した後の補正係数Ｋ1 を１．５に設定しているが、その値は適宜変更可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、車両が旋回限界に接近すると電動パワーステアリング装置が発生する操舵補助トルクが増加するように制御されるため、ドライバーが受ける操舵反力が低下する。その結果、ドライバーは車両が旋回限界に達してタイヤがスリップしたときと同じ感覚を受け、車両が実際に旋回限界に達する前に旋回限界に接近したことを予知することができる。これにより、ドライバーの自発的なステアリング戻し操作や減速操作を促して車両挙動の安定を確保することができる。
【００４６】
また特に車両が旋回限界に接近するとステアリングホイールに入力される操舵角に対する操舵輪の転舵角の比が減少するので、前記した操舵反力の減少によりステアリングホイールが操舵角を増加させる方向に操作されても、操舵輪の転舵角が急激に増加するのを抑制し、車両が旋回限界に達するのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 電動パワーステアリング装置を備えた操舵系の説明図
【図２】 舵角比可変機構の縦断面図
【図３】 電動パワーステアリング装置の制御手段の回路構成を示すブロック図
【図４】 操舵トルクから目標電流を検索するマップを示す図
【図５】 路面摩擦係数とコーナリングパワーとの関係を示すグラフ
【図６】 内部モデルの設定に係わるフロー図
【図７】 操舵角と車両状態量との関係を示すグラフ
【図８】 ΔＦｒｃ／ΔＦｒｍから路面摩擦係数を検索するマップを示す図
【図９】 旋回限界判定手段の回路構成を示すブロック図
【図１０】 路面摩擦係数から限界操舵角を検索するマップを示す図
【図１１】 制御開始前後の補正係数の変化を示すグラフ
【図１２】 制御開始前後の操舵角と転舵角との関係を示すグラフ
【符号の説明】
Ｍ４ 旋回限界判定手段
Ｓ 電動パワーステアリング装置
Ｓ1 操舵トルク検出手段
Ｕ 電子制御ユニット（制御手段）
ＷFL 左前輪（操舵輪）
ＷFR 右前輪（操舵輪）
Δδ 転舵角の増分
θS 操舵角
ΔθS 操舵角の増分
Δδ／ΔθS 操舵角の増分に対する転舵角の増分の比
２１ ステアリングホイール
２７ モータ
３２ 舵角比可変機構
Claims (1)
- 操舵系に操舵補助トルクを付加するモータ（２７）を有する電動パワーステアリング装置（Ｓ）と、
少なくとも操舵トルク検出手段（Ｓ1 ）で検出した操舵トルクに基づいてモータ（２７）を駆動する制御手段（Ｕ）とを備えた車両の操舵制御装置において、
車両が旋回限界に接近したことを判定する旋回限界判定手段（Ｍ４）と、
ステアリングホイール（２１）に入力される操舵角（θ S ）の増分（Δθ S ）に対する操舵輪（Ｗ FL ，Ｗ FR ）の転舵角の増分（Δδ）の比（Δδ／Δθ S ）を変更可能な舵角比可変機構（３２）とを備えてなり、
車両が旋回限界に接近したときには、前記制御手段（Ｕ）が旋回限界判定手段（Ｍ４）の判定に基づいて、操舵補助トルクが増加するようにモータ（２７）を駆動すると共に前記比（Δδ／Δθ S ）を減少させるように前記舵角比可変機構（３２）を作動させることを特徴とする、車両の操舵制御装置。
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