JP4124441B2 - 車両の少なくとも１つの車両ホイールの操舵角または旋回角を制御する車両操舵部 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念の特徴部分の構成を有する、車両の少なくとも１つの車両ホイールの操舵角または旋回角を制御する車両操舵部に関する。

ハイドロリックパワーアシストステアリングシステムでは、通常は制御弁がステアリングホイールの回転運動に相応する、操舵シリンダ内の油圧を制御する。弾性的なトルク測定部材、例えば棒ばね、渦巻きばねまたは葉状ばねが、ステアリングホイールに加えられているトルクを制御運動に変換する。この制御運動によって、斜端素子または面取り素子として構成された制御エッジがシフトし、オイルの流れに対して相応の開口横断面を形成する。

補助モーメントが、アクチュエータである電子モータによって生成されるパワーアシストシステムでは同様に、トルク測定部材が、運転者によって加えられたハンドトルクを測定するのに用いられるのが通常である。

パワーアシスト操舵部の操作快適性および自動車の安全性に関する要求の増大によって、パラメータ化可能なパワーアシスト操舵部が導入された。これは例えば速度に依存して作動する、すなわち電子的なタコメータによって示された走行速度が、ステアリングホイールないしはかじ取りハンドルに運転手によって加えられる操作力を制御ないしは影響する。制御装置は速度信号を評価して、調整されるべき補助モーメントの量を求める。ここでこのモーメントはアクチュエータによって、操舵角ないし旋回角の補助調整設定に必要である。従って操舵特性の特別な構成によって、駐車領域および極めて小さい力のみがステアリングホイールに加えられる停止中の操舵時、車両の増大する速度にともなって、アシストパワーないしアシストモーメントの量が低減する。これによって高速時に正確かつ目的にかなったステアリングが可能になる。

公知のパワーアシストステアリングシステムは、かじ取りハンドルないしステアリングホイールに加わっているハンドトルクが測定され、単に増幅されてアクチュエータに転送されるという欠点を有する。これによってほとんどの場合に不十分な操作快適性しか得られない。このようなシステムでは通常は、アクティブなリターンポジション（Rueckstellung）、すなわち放たれたステアリングホイールの中央ポジションにおけるリターンポジションが付加的な調整によって明確に導入される。これによってこのシステムの全体的な調整／制御が複雑になり、障害が生じやすくなる。アクティブな減衰の導入も、従来のシステムでは高いコストによってしか実現されず、ほとんどの場合には不十分にしか実現されない。さらにこのようなシステムでは摩擦補償、すなわち操舵部での摩擦の考慮が行われない、または不充分にしか行われない。上述したオプションを導入することによって調整部はほとんどの場合、たとえ最適化可能であるとしても、高いコストによってしか最適化されないくらい複雑になってしまう。

本発明の課題は、より容易に最適化される車両操舵部を実現することである。ここでは運転手によって加えられるハンドトルクが設定可能であり、殊に、正確に調整可能である。

上述の課題は本発明と相応に、独立請求項の特徴部分の構成を有する、上位概念の車両操舵部によって解決される。このような車両操舵部の本発明に相応する別の構成は、従属請求項の特徴部分に記載されている。

本発明では次のような考えが重要である。すなわち状態調整部が車両の状態量によって制御装置に対する調整量Ｔ_ｒｅｑ’を生成し、ここで運転手によって加えられる操舵力は極めて小さく、従って出来るだけトルクのない（momentfreie）ステアリングが実現されるという考えである。トルクのないステアリングから出発して、調整量Ｔ_ｒｅｑ’には容易にガイド量Ｔ_ｒｅｆが加算される。しかも運転手によって加えられるハンドトルクＴ_{ｄｒｉｖｅｒ， ｒｅｑ}の計算時ないし算出時に、他に注意されるべき車両状態を考慮する必要はない。これによって有利には運転手によるトルクをアクティブに設定することが可能になり、従来技術のように、測定されたハンドトルクのみを運転手の補助を計算するために増幅するのではない。調整量Ｔ_ｒｅｑ’が比例定数によって乗算される場合、ガイド量加算に対する択一的な解決方法が生じる。この比例定数は自身の側で例えば車両速度およびセンサトルクのような種々異なる量に依存する。

従って例えば有利には運転手によって加えられるハンドトルクＴ_{ｄｒｉｖｅｒ， ｒｅｑ}は、以下で挙げるパラメータの関数である：すなわちステアリングホイール角、車両速度、車両操舵部に作用する外乱量（例えば前輪連結棒の力並びにタイヤへの力またはタイヤと走行路との間の反力）、車両内に存在する走行システム（殊に伝動装置および／または走行ダイナミック調整部）からの種々の走行ダイナミック情報である。

当然ながら、上述の関数は上で挙げたパラメータの全てを考慮する必要はない。これらの全パラメータは個々にまたは種々異なる組み合わせにおいて考慮することができる。同じように有利には、操舵部の車両ドライバーは、スポーティに、快適にまたは省エネルギーに走行したいのかを設定することができる。このような設定によって、アクティブに設定された所望のハンドトルクＴ_{ｄｒｉｖｅｒ， ｒｅｑ}は、各走行状況に対して異なって計算されて正確に設定される。

しかし上述のパラメータのうちの少なくとも幾つかが、加えられるべきハンドトルクに対する関数に対して考慮されるのは有利である。

アクティブに設定された所望のハンドトルクＴ_{ｄｒｉｖｅｒ， ｒｅｑ}は、Ｔ_{ｆｒｉｃｔｉｏｎ}と比例定数Ｋ_{ａｓｓｉｓｔ}との乗算によっても計算される。ここでこの比例定数は例えば、車両速度量Ｖ_{ｖｅｈｉｃｌｅ}とセンサトルクＴ_{ｓｅｎｓｏｒ}との関数であり得る。

有利には本発明による操舵部の制御装置はオブザーバーを有する。このオブザーバーは車両操舵部の数学的なモデルによって測定されないおよび／または測定不可能な車両の状況量を計算する。このようなシミュレーションモデルは各車両に対して存在する。これによって有利には、進路（Strecken）状態量および外乱量を求める不必要なセンサを省くことができる。

進路状態量とは、殊にピニオン側の角速度Ω_{ｐｉｎｉｏｎ}、ステアリングホイール側とピニオン側との角度差Δ_Φ、ステアリングホイール側とピニオン側との角速度差ΔΩ、並びにアクチュエータによって定められるトルクＴ_{ｍｏｔｏｒ}のことである。当然ながら、相当する量を同じように本発明の操舵部に対して考慮することができる。

外乱量とは、殊に運転手によって加えられたトルクＴ_{ｄｒｉｖｅｒ}並びに操舵部に加わっている摩擦モーメントＴ_{ｆｒｉｃｔｉｏｎ}のことである。

トルクのない操舵特性を得るために、フィードバックないしは加算に対する状態調整部は、区間（すなわち操舵）の進路の状態および外乱の状態を必要とする。

状態空間理論の意味での進路状態は、例えば

である。ここで
Ω_{ｐｉｎｉｏｎ}はピニオン側の角速度、
Δ_Φはステアリングホイール側とピニオン側との角度差、
ΔΩはステアリングホイール側とピニオン側との角速度差、
Ｔ_{ｍｏｔｏｒ}はアクチュエータによって出力されるトルクである。

外乱量としては例えば

が当てはまる。ここで
Ｔ_{ｄｒｉｖｅｒ}は運転手によって加えられたトルク、
Ｔ_{ｆｒｉｃｔｉｏｎ}は操舵部に加わっている摩擦モーメントである。

適切なマトリックスＫ_ｐを介して進路状態量をフィードバックし、外乱モデルを中心として広がる進路モデルを有する適切な状態調整部構想によって計算された適切なマトリックスＫ_ｄを介して外乱量を加算すること（摩擦補償または外乱量補償）によって、選択された目的量、例えば

は調整部によって生成された調整信号Ｔ_ｒｅｑ’によって０に降下調整される。このような目的量は自由に選択可能であるが、進路状態に依存していなければならない。上記の式において目的量Ｔ_{ｓｅｎｓｏｒ}はトルクのない調整の実現に用いられ、目的量ΔΩおよびΔαはアクティブな振動減衰を実現するのに用いられる。これによっていわゆる「トルクのない」ステアリングが実現される。

以下で、本発明の基本となる幾つかの関係を図に基づきより詳細に説明する。

図１は、トルクのない車両操舵部の実現に対する概略図であり、
図２は、本発明によるガイド量加算を示したものであり、
図３は、本発明による状態オブザーバーを示したものであり、
図４は、本発明による調整構想の機能ブロックを示したものであり、
図５は、所望の運転手トルクＴ_{ｄｒｉｖｅｒ， ｒｅｑ}を生成するための択一的な解決方法を示したものであり、
図６は、図３および図５に相応するガイド量加算に対する択一的な解決方法を示したものである。

図１には、外乱量補償を伴う、状態ベクトルフィードバックによるトルクのない車両操舵部の実現に対する概略図が示されている。

トルクのないステアリングが実現されると、ガイド量モデルを介して所望の操舵感覚を得ることができる。ここで操舵感覚とは運転手によって感じられる、ないしは加えられるハンドトルクのことである。このために運転手によって感じられるハンドトルクＴ_{ｄｒｉｖｅｒ， ｒｅｑ}から、マトリックスＫrを伴うガイド量加算部を介して量Ｔ_ｒｅｆが生成され、調整量Ｔ_ｒｅｑ’に加算される。

図２にはガイド量加算および量Ｔ_ｒｅｑ’およびＴ_ｒｅｆを加算してＴ_ｒｅｑにすることが示されている。ここでＴ_ｒｅｑはアクチュエータの制御装置に対する調整量である。

従って重み付けされる目的量は、

になる。Ｔ_{ｄｒｉｖｅｒ， ｒｅｑ}は、運転手が感じるトルクである。目的量ベクトルＹ_ｐｏと比較すると、ここではトルクのないステアリング（すなわちＴ_{ｓｅｎｓｏｒ}＝０）は生成されず、所望の運転手トルクＴ_{ｄｒｉｖｅｒ， ｒｅｑ}の値だけ減少されたセンサトルクが調整される。以前に構想されたトルクのない操舵特性によって走行感覚、すなわちトルクＴ_{ｄｒｉｖｅｒ， ｒｅｑ}はここで完全に自由に形成可能な（進路状態に依存しない）量であり、上述したパラメータの任意の関数であり得る。

通常は、必要な全ての状態量を測定することは不可能なので、これらを存在する測定量から再構築しなければならない。これは例えば微分フィルタまたは上述の状態オブザーバーによって行われる。

図３に示したように、状態オブザーバーは外乱モデルを中心に広がる、進路の数学的な並列モデルを有しており、入力量として調整部によって生成された調整量Ｔ_ｒｅｑ並びに存在する測定量、例えばトルクＴ_{ｓｅｎｓｏｒ}およびモータ角度Φ_{ｍｏｔｏｒ}を含む。

計算された測定量と実際の測定量からの差が適切なマトリックスを介して帰還することによって、エラーを有する状態量が求められる。このようなマトリックスの計算は、適切なオブザーバー構想によって求められる。

オブザーバーと調整部を連結させることによって、摩擦補償に対して自由に形成可能な走行感覚並びにアクティブな振動減衰を実現する調整部が得られる。

図４には、車両操舵部に対する本発明による調整構想の機能ブロックが示されている。オブザーバーは調整部に必要な入力量を求める。同時に行われるＴ_{ｄｒｉｖｅｒ， ｒｅｑ}のガイド量加算によって、調整によって調整量Ｔ_ｒｅｑは、調整設定されるべき手の感覚ないしハンドトルクと相応に調整される。

上述したように、Ｔ_ｒｅｑはアクチュエータの制御装置に対する調整量である。本発明による車両操舵部ないしはその調整構想の有利な調整によって、本発明の構想を各車両に問題なく実装することができる。調整部の構想はここで非常に簡単に設計されている。なぜなら通常は各車両に対する数学的なモデルが既知だからである。

初めにトルクのないステアリングが実現されることによって、運転手によって加えられる運転感覚ないしハンドトルクに対する、ある車両用に調整された関数を他の車両が問題なく引き継ぐことができる。これによって種々の車両に正確に同じ運転感覚を与えることができる。

図示された調整構想は、本発明による車両操舵部の可能な実施形態にすぎない。当然ながらＴ_ｒｅｆとＴ_ｒｅｑ’の加算を他の箇所で行うこともできる。従って当然ながら、本発明の技術的思考と異なることなく、個々のマトリックスＫｒ、ＫｐおよびＫｄを唯一のマトリックスにまとめることができる。

図５には、所望の運転手トルクＴ_{ｄｒｉｖｅｒ， ｒｅｑ}の択一的な生成が示されている。ここで所望の運転手トルクＴ_{ｄｒｉｖｅｒ， ｒｅｑ}は、Ｔ_{ｆｒｉｃｔｉｏｎ}が比例定数Ｋ_{ａｓｓｉｓｔ}によって乗算されることによって生じる。定数Ｋ_{ａｓｓｉｓｔ}は自身の側で、例えば車両速度Ｖ_{ｖｅｈｉｃｌｅ}およびセンサトルクＴ_{ｓｅｎｓｏｒ}等の種々の量の関数である。

量Ｔ_ｒｅｑ’が比例定数と乗算される場合、これはガイド量加算に対して選択的に、同様に本発明の意図するものである。この比例定数は図６に示されているようにＫ_{ａｓｓｉｓｔ}であり得る。

トルクのない車両操舵部の実現に対する概略図である 本発明によるガイド量加算を示した図である 本発明による状態オブザーバーを示した図である 本発明による調整構想の機能ブロックを示した図である 所望の運転手トルクＴ_{ｄｒｉｖｅｒ， ｒｅｑ}を生成するための択一的な解決方法を示した図である 図３および図５に相応するガイド量加算に対する択一的な解決方法を示した図である

Claims (15)

1. 車両の少なくとも１つの車両ホイールの操舵角または旋回角を制御する車両操舵部であって、
   ステアリングホイールと、
   前記ステアリングホイールの操作の程度を検出する検出装置と、
   前記ステアリングホイールと少なくとも１つの操舵される車両ホイールとのあいだの機械的な作用接続部と、
   操舵角ないし旋回角を補助調整設定するアクチュエータと、
   前記アクチュエータに対する制御装置とを有しており、自動車を制御するために運転手によって実際に加えられるハンドトルクないし手の力が前記制御装置によって車両状態量に依存して調整される形式のものにおいて、
   前記制御装置は状態調整部を有しており、当該状態調整部は車両の状態量によって前記制御装置に対する第１の調整量Ｔ_ｒｅｑ’を生成し、ここで運転手によって加えられる操舵力は極めて小さく、出来るだけトルクのないステアリングが実現され、
   運転手によって加えられるハンドトルクＴ_{ｄｒｉｖｅｒ， ｒｅｑ}に対するガイド量加算部はガイド量Ｔ_ｒｅｆを形成し、当該ガイド量Ｔ_ｒｅｆと前記第１の調整量Ｔ_ｒｅｑ’を加算して、前記アクチュエータの制御装置に供給される第２の調整量Ｔ_ｒｅｑが形成される、
   ことを特徴とする、車両の少なくとも１つの車両ホイールの操舵角または旋回角を制御する車両操舵部。
2. 操舵部に加わっている摩擦モーメントをあらわす量Ｔ_{ｆｒｉｃｔｉｏｎ}を可変比例定数Ｋ_{ａｓｓｉｓｔ}と乗算することによって、運転手によって加えられるハンドトルクＴ_{ｄｒｉｖｅｒ， ｒｅｑ}が生じる、請求項１記載の車両操舵部。
3. 車両の少なくとも１つの車両ホイールの操舵角または旋回角を制御する車両操舵部であって、
   ステアリングホイールと、
   前記ステアリングホイールの操作の程度を検出する検出装置と、
   前記ステアリングホイールと少なくとも１つの操舵される車両ホイールとのあいだの機械的な作用接続部と、
   操舵角ないし旋回角を補助調整設定するアクチュエータと、
   前記アクチュエータに対する制御装置とを有しており、自動車を制御するために運転手によって実際に加えられるハンドトルクないし手の力が前記制御装置によって車両状態量に依存して調整される形式のものにおいて、
   前記制御装置は状態調整部を有しており、当該状態調整部は車両の状態量によって前記制御装置に対する第１の調整量Ｔ_ｒｅｑ’を生成し、ここで運転手によって加えられる操舵力は極めて小さく、出来るだけトルクのないステアリングが実現され、
   前記第１の調整量Ｔ_ｒｅｑ’が比例定数Ｋ_{ａｓｓｉｓｔ}と乗算されることによって、前記アクチュエータの制御装置に供給される第２の調整量Ｔ_ｒｅｑが形成される、
   ことを特徴とする、車両の少なくとも１つの車両ホイールの操舵角または旋回角を制御する車両操舵部。
4. 前記比例定数Ｋ_{ａｓｓｉｓｔ}は車両速度とセンサトルクＴ_{ｓｅｎｓｏｒ}の関数であり、当該センサトルクＴ_{ｓｅｎｓｏｒ}はトルクセンサによってセンシングされたトルクである、請求項３記載の車両操舵部。
5. 前記制御装置はオブザーバーを有しており、当該オブザーバーは、車両操舵の数学的モデルによって、車両の測定されなかった状態量を求める、請求項１から４までのいずれか１項記載の車両操舵部。
6. 前記第１の調整量Ｔ_ｒｅｑ’の計算に対して、進路状態量と、車両操舵部に加わっている外乱量が考慮される、請求項１から５までのいずれか１項記載の車両操舵部。
7. 前記進路状態量として、ピニオン側の角速度Ω_{ｐｉｎｉｏｎ}およびステアリングホイール側とピニオン側との角度差Δ_Φおよびステアリングホイール側とピニオン側との角速度差ΔΩおよびアクチュエータによって出力されるトルクＴ_{ｍｏｔｏｒ}のうちの少なくとも１つの量が選択される、請求項６記載の車両操舵部。
8. 前記外乱量として、運転手によって加えられたトルクＴ_{ｄｒｉｖｅｒ}および操舵部に加わっている摩擦モーメントＴ_{ｆｒｉｃｔｉｏｎ}のうちの少なくとも１つの量が選択される、請求項６記載の車両操舵部。
9. 適切なマトリックスＫ_ｐを介して前記進路状態量をフィードバックすることおよび適切なマトリックスＫ_ｄを介して前記外乱量を加算することによって前記第１の調整量Ｔ_ｒｅｑ’が生成される、請求項６から８までのいずれか１項記載の車両操舵部。
10. マトリックスＫ_ｒを伴う前記ガイド量加算部を介して、所望のハンドトルクＴ_{ｄｒｉｖｅｒ， ｒｅｑ}から前記ガイド量Ｔ_ｒｅｆが形成される、請求項１記載の車両操舵部。
11. 前記所望のハンドトルクＴ_{ｄｒｉｖｅｒ， ｒｅｑ}は、ステアリングホイール角および車両速度および車両操舵部に加わっている外乱量のうちの少なくとも１つの量の関数である、請求項１０記載の車両操舵部。
12. 前記所望のハンドトルクＴ_{ｄｒｉｖｅｒ， ｒｅｑ}は、車両運転手の設定によって設定される、請求項１０または１１記載の車両操舵部。
13. 設定は、「経済的」または「スポーティ」等のような走行モードの調整設定である、請求項１２記載の車両操舵部。
14. 前記所望のハンドトルクＴ_{ｄｒｉｖｅｒ， ｒｅｑ}は、車両に存在する走行システムからの種々異なる走行ダイナミック情報の関数である、請求項１０から１３までのいずれか１項記載の車両操舵部。
15. 車両の測定されない状態量は、微分フィルタまたはオブザーバーによって求められる、請求項５記載の車両操舵部。

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