JP4135600B2 - 車両用操舵装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両用操舵装置の技術分野に属する。

従来の車両用操舵装置は、路面μを検出し、この路面μに応じて「操舵トルクに対するアシストトルク特性」を変更している。操舵トルクに対するアシストトルク特性は、路面μに比例してアシストトルクが増大するように設定されている。
特開２０００−１０３３４８号公報

しかしながら、上記従来技術にあっては、低μ路では路面からの反力が著しく減少するため、路面μに応じてアシストトルク特性を変更したとき、操舵トルクから操舵角が認識しづらいという問題があった。特に、運転初心者では、低μ路でオーバーステアやアンダーステアが発生したとき、中立位置や操舵量が認識しづらいため、修正操舵が困難となる。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、低μ路において操舵手段の中立位置や操舵角が認識しやすく、運転操作の容易化を図ることができる車両用操舵装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明では、路面とタイヤとの摩擦係数を検出する路面摩擦係数検出手段と、操舵手段の操舵角を検出する操舵角検出手段と、車速を検出する車速検出手段と、舵取機構に操舵反力を加える反力アクチュエータと、前記操舵角と車速とに応じた操舵反力である車両挙動分反力を発生させるように前記反力アクチュエータを駆動制御する制御手段と、を備えた車両用操舵装置において、前記制御手段に、路面摩擦係数が所定値以下のとき、操舵角が大きいほどより大きな角度分反力を設定し、この角度分反力と前記車両挙動分反力とを加えた操舵反力を発生させるように前記反力アクチュエータを補償制御する補償制御部を設け、前記補償制御部は、路面摩擦係数が小さいほど操舵角に対する前記角度分反力をより大きくすることを特徴とする。

よって、本発明の車両用操舵装置にあっては、路面摩擦係数が所定値以下の低μ路において、操舵角に応じて操舵角を中立位置へ戻すような操舵反力が発生するため、操舵反力により運転者に中立位置や操舵角を教えることができ、運転操作の容易化を図ることができる。

以下に、本発明の車両用操舵装置を実施する最良の形態を、実施例１〜４に基づいて説明する。

まず、構成を説明する。
図１は、実施例１の車両用操舵装置の構成を示すブロック図であり、本発明をステアバイワイヤシステムに適用した例である。
車両用操舵装置は、舵取り操作用のハンドル（操舵手段）１と、反力モータ（反力アクチュエータ）２と、回転軸３と、角度センサ（操舵角検出手段）４と、舵取り動作を行う舵取機構５と、タイロッド１０，１１と、車輪１２，１３と、コントローラ（制御手段）１４と、車速センサ１６と、ヨーレートセンサ１７とを備えている。

ハンドル１は、図示しない車室内部に運転者と対向するように、軸周りに回転可能に設けられている。角度センサ４は、ハンドル１と操舵反力発生用の反力モータ２を連結する回転軸３に配置されている。

舵取機構５は、ラック軸６と、転舵力を発生させる転舵モータ７と、転舵モータ７の回転力をラック軸６へ伝達する減速機８と、ラック軸６の並進量を検出するストロークセンサ９から構成される。

ラック軸６は、図示しない車両前部に、車幅方向へ摺動可能に固定されており、ラック軸６の両端は、左右のタイロッド１０，１１を介して操向用の車輪１２，１３に連結されている。

続いて、図２の制御ブロック図を加え、コントローラ１４で実施される制御について説明する。
運転者によりハンドル１が操作されると、角度センサ４によりハンドル角度（操舵角）が検出される。この角度センサ４の出力は、反力モータ２と転舵モータ７を制御駆動するコントローラ１４へ与えられる。コントローラ１４には、さらに車両の走行速度を検出する車速センサ１６やヨーレートセンサ１７といった車両挙動センサ等の信号も与えられている。

コントローラ１４に入力されたハンドル角度や車両挙動に応じて、反力モータ２の目標駆動電流が決定され、電流サーボ系を経て反力モータ２は制御駆動される。反力モータ２の出力トルクはハンドル１へ伝達され、運転者に操舵反力として作用する。

また、コントローラ１４はハンドル角度や車速といった車両挙動に応じて転舵モータ７の目標位置（目標車輪転舵角）が決定される。ストロークセンサ９の信号もコントローラ１４へ入力され、車輪１２，１３の転舵角に換算されて、上記目標位置との偏差に応じて転舵モータ７を制御駆動する。反力モータ２および転舵モータ７へ供給される電力は、バッテリ１５により与えられる。

次に、作用を説明する。
［反力モータの目標電流算出制御］
図３は、反力制御ブロック図である。
路面摩擦係数の推測は、一般的な手法を用いている。例えば、制駆動時の前後輪の車輪速から路面摩擦係数を推測する。

算出された推測路面摩擦係数、ハンドル角度および車速を、車両モデル（例えば２輪モデル）に適用し、前輪の復元力｛復元力＝トレール×タイヤコーナリングパワー×（タイヤ角―前軸重心間距離×ヨーレート／車速―前輪スリップアングル）｝を算出する。そして、車両挙動に応じた反力を算出し、ハンドル端での人間の操作力となるように、適当なゲインＧを掛けて車両挙動分反力を算出する。

続いて、推測した路面摩擦係数、ハンドル角度、車速およびハンドル速度（操舵角速度）からハンドル角度に応じた反力分（角度分反力）を、図４に示すマップ等に照らし合わせて算出する（補償制御部に相当）。

図４に示すように、角度分反力には不感帯が設定されており、ハンドル角度が第２設定角度β以下のとき、角度分反力はゼロとなる。ハンドル角度が第２設定角度βを超えると、ハンドル角度の大きさに比例して角度分反力は大きくなる。そして、ハンドル角度が第１設定角度α以上では、角度分反力は一定値となる。

図４のマップの傾きをＡとすると、傾きＡは、路面摩擦係数、車速およびハンドル速度に応じて変化するように設定されている。

図５は、路面摩擦係数と角度分反力の傾きＡの関係を示す図である。図に示すように、路面摩擦係数が所定値μ₀以上のとき、傾きＡはゼロとなるように設定されている。また、傾きＡは、路面摩擦係数が所定値μ₁以下で一定となる。

図６は車速と角度分反力の傾きＡの関係を示す図、図７はハンドル速度と角度分反力の傾きＡの関係を示す図であり、傾きＡは車速およびハンドル速度の大きさに比例して大きくなるように設定されている。

図３において、角度分反力と上述した車両挙動分反力とが加算され、反力モータ２の指令電流値が決定される。

［角度分反力算出作用］
(i) 路面摩擦係数が所定値μ₀よりも大きいときには、図５の関係により、角度分反力はゼロとなるため、反力モータ２の指令電流値は、車両挙動分反力のみに基づいて設定される。

(ii) 路面摩擦係数が所定値μ₀以下のときには、ハンドル角度に応じて角度分反力が算出され、反力モータ２の指令電流値は、車両挙動分反力と角度分反力とを加算したものとなる。ここで、ハンドル角度が不感帯領域にあるとき、すなわち、第２設定角度β以下のときには、角度分反力はゼロとなる。また、ハンドル角度が第１設定角度α以上のときには、角度分反力は一定値となる。

次に、効果を説明する。
実施例１の車両用操舵装置にあっては、以下に列挙する効果が得られる。

(1) ステアバイワイヤシステムにおいて、路面摩擦係数が所定値μ₀以下のとき、車両挙動分反力と、ハンドル角度に応じた角度分反力とを加算して反力モータ２の指令電流値が設定されるため、低μ路において操舵反力によりハンドル１の中立位置やハンドル角度が分かりやすくなり、運転操作が容易となる。

(2) 角度分反力は、路面摩擦係数、車速、ハンドル速度に応じて設定されるため、中立位置やハンドル角度を車両挙動や運転者の操舵状況に応じて運転者へ教えることができ、運転操作がより容易となる。

(3) 角度分反力は、第１設定角度α以上で一定となるため、中立位置やハンドル角度を車両挙動や運転者の操舵状況に応じて運転者へ教えることができ、運転操作がより容易になる上、操舵量が大きいときに反力が重くなりすぎるのを防止できる。

(4) 角度分反力は、第２設定角度β以下のときゼロとなる不感帯を持つため、角度センサ４のノイズ等に起因する影響を低減できる。

実施例２の車両用操舵装置は、車両挙動分反力のゲインＧ（図３参照）を、路面摩擦係数、車速およびハンドル速度に応じて変化させる点で実施例１と異なり、その他構成等は実施例１と同じであるため、構成の説明は省略する。

図８は、路面摩擦係数とゲインＧの関係を示す図である。ゲインＧは、路面摩擦係数が所定値μ₁から所定値μ₀までの間で徐々に増加し、所定値μ₁以下で一定の最小値、所定値μ₀以上で一定の最大値となるよう設定されている。

また、図９は車速とゲインＧの関係を示す図、図１０はハンドル速度とゲインＧの関係を示す図であり、ゲインＧは、車速およびハンドル速度が大きくなるに従って小さくなるように設定されている。

次に、効果を説明する。
(5) 実施例２の車両用操舵装置にあっては、路面摩擦係数、車速およびハンドル速度に応じて車両挙動分反力のゲインＧを変更するため、実施例１よりもさらに良好な操舵フィーリングが得られる。

まず、構成を説明する。
図１１は、実施例３の車両用操舵装置の構成を示すブロック図であり、本発明を電動パワーステアリングシステムに適用した例である。

車両用操舵装置は、舵取り操作用のハンドル（操舵手段）２１と、アシストモータ２２と、操舵軸２３と、トルクセンサ（トルク検出手段）２４と、舵取機構２５と、タイロッド３０，３１と、車輪３２，３３と、コントローラ（制御手段）３４と、角度センサ（操舵角検出手段）３６と、車速センサ３７と、ヨーレートセンサ３８とを備えている。

ハンドル２１は、図示しない車室内部に運転者と対向するように、軸周りに回転可能に設けられている。トルクセンサ２４と操舵補助用のアシストモータ２２は、ハンドル２１と舵取機構２５とを連結する操舵軸２３に配置されている。また、操舵軸２３には、ハンドル２１のハンドル角度を検出する角度センサ３６が取り付けられている。

舵取機構２５は、操舵軸２３の下端に一体形成されたピニオン２８と、これに噛合するラック軸２６とを備えるラック&ピニオン式の舵取り装置により構成される。ラック軸２６は、図示しない車両前部に、左右方向への摺動は可能なように固定されており、ラック軸２６の両端は、左右のタイロッド３０，３１を介して操向用の車輪３２，３３に連結されている。アシストモータ２２は、アシストモータ２２の発生トルクを操舵軸２３の回転トルクに変換するような減速機２７を介して、操舵軸２３に結合される。

続いて、図１２の制御ブロック図を加え、コントローラ３４で実行される制御について説明する。
運転者によりハンドル２１が操作されると、機械的な連結により車輪３２，３３が操向される。この時の負荷はトルクセンサ２４により、捩れ操舵トルクとして検出される。トルクセンサ２４の出力は、操舵補助用のアシストモータ２２を制御駆動するコントローラ３４に与えられる。コントローラ３４には、さらに、前記アシストモータ２２の回転速度を推測するためのモータ端子間電圧センサやモータ電流センサが内蔵されている。また、車両の走行速度を検出する車速センサ３７やヨーレートセンサ３８等の信号も与えられている。

コントローラ３４の出力は、アシストモータ２２に与えられる。コントローラ３４は、操舵トルク・モータの回転速度・車速等を用いて、アシストモータ２２の駆動電流を算出し、算出された駆動電流を内蔵するモータ電流センサによるモータ電流を参照しつつ、アシストモータ２２を制御駆動する。アシストモータ２２へ供給される電源は、バッテリ３５により与えられる。

次に、作用を説明する。
［アシストモータの目標電流算出制御］
図１３は、アシスト制御ブロック図である。
操舵トルクと車速およびヨーレートに応じて、アシストモータ２２の指令電流値の操舵トルク分アシストトルクが算出される。

続いて、実施例１と同様に、推測した路面摩擦係数、ハンドル角度、車速、ハンドル速度から、ハンドル角度に応じた反力分（角度分反力）を、図４に示したマップ等に照らし合わせて算出する（補償制御部に相当）。なお、図４のマップの傾きＡは、実施例１と同様に、図４〜６に示した図に基づき、路面摩擦係数、車速およびハンドル速度に応じて変化する。

上記操舵トルク分アシストトルクから角度分反力を減算することにより、アシストモータ２２の指令電流値が決定される。

［角度分反力算出作用］
(i) 路面摩擦係数が所定値μ₀よりも大きいときには、図５の関係により、角度分反力はゼロとなるため、アシストモータ２２の指令電流値は、操舵トルク分アシストトルクのみに基づいて設定される。

(ii) 路面摩擦係数が所定値μ₀以下のときには、ハンドル角度に応じて角度分反力が算出され、アシストモータ２２の指令電流値は、操舵トルク分アシストトルクから角度分反力を減算したものとなる。ここで、ハンドル角度が不感帯領域にあるとき、すなわち、第２設定角度β以下のときには、角度分反力はゼロとなる。また、ハンドル角度が第１設定角度α以上のときには、角度分反力は一定値となる。

次に、効果を説明する。
(6) 実施例３の車両用操舵装置にあっては、電動パワーステアリングシステムにおいて、路面摩擦係数が所定値μ₀以下のとき、操舵トルク分アシストトルクからハンドル角度に応じた角度分反力を減算してアシストモータ２２の指令電流値が設定されるため、路面からの反力が著しく減少する低μ路において、操舵反力によりハンドル２１の中立位置や操舵角が分かりやすくなり、運転操作が容易になる。

(7) 電動パワーステアリングシステムにおいて、操舵トルク分アシストトルクに対する角度分反力の減算割合を、路面摩擦係数、車速およびハンドル速度に応じて変更するため、適度な反力で中立位置やハンドル角度を車両挙動や運転者の操舵状況に応じて運転者へ教えることができ、運転操作がより容易になる。

実施例４の車両用操舵装置は、操舵トルク分アシストトルクのゲインＧ（図１３参照）を、路面摩擦係数、車速およびハンドル速度に応じて変化させる点で実施例３と異なり、その他構成等は実施例３と同じであるため、構成の説明は省略する。なお、ゲインＧは、実施例２と同様に、図８〜１０に示した関係に基づいて変化させる。

次に、効果を説明する。
(8) 実施例４の車両用操舵装置にあっては、路面摩擦係数、車速およびハンドル速度に応じて操舵トルク分アシストトルクのゲインＧを変更するため、実施例３よりもさらに良好な操舵フィーリングが得られる。

（他の実施例）
以上、本発明を実施するための最良の形態を、実施例１〜４に基づいて説明したが、本発明の具体的な構成は、実施例１〜４に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。

例えば、実施例１，２では、反力モータを電流制御する例を示したが、ハンドルトルクを検出し、その信号を用いて反力モータを制御する構成としてもよい。

また、実施例１〜４では、路面摩擦係数を、制駆動時の前後輪の車輪速から推定する構成としたが、ハンドル角度（操舵角）とヨーレートの関係から算出する構成としてもよい。

車両用操舵装置の構成を示すブロック図である（実施例１）。 制御ブロック図である（実施例１）。 反力制御ブロック図である（実施例１）。 角度分反力の算出マップである（実施例１）。 路面摩擦係数と角度分反力の傾きの関係を示す図である（実施例１）。 車速と角度分反力の関係を示す図である（実施例１）。 ハンドル速度と角度分反力の関係を示す図である（実施例１）。 路面摩擦係数とゲインの関係を示す図である（実施例２）。 車速とゲインの関係を示す図である（実施例２）。 ハンドル速度とゲインの関係を示す図である（実施例２）。 電動パワーステアリング車両の構成図である（実施例３）。 制御ブロック図である（実施例３）。 反力制御ブロック図である（実施例３）。

符号の説明

１ ハンドル
２ 反力モータ
３ 回転軸
４ 角度センサ
５ 舵取機構
６ ラック軸
７ 転舵モータ
８ 減速機
９ ストロークセンサ
１０，１１ タイロッド
１２，１３ 車輪
１４ コントローラ
１４ 車速センサ
１５ バッテリ
１６ 車速センサ
１７ ヨーレートセンサ
２１ ハンドル
２２ アシストモータ
２３ 操舵軸
２４ トルクセンサ
２５ 舵取機構
２６ ラック軸
２７ 減速機
２８ ピニオン
３０，３１ タイロッド
３２，３３ 車輪
３４ コントローラ
３５ バッテリ
３６ 角度センサ
３７ 車速センサ
３８ ヨーレートセンサ

Claims (6)

1. 路面とタイヤとの摩擦係数を検出する路面摩擦係数検出手段と、
   操舵手段の操舵角を検出する操舵角検出手段と、
   車速を検出する車速検出手段と、
   舵取機構に操舵反力を加える反力アクチュエータと、
   前記操舵角と車速とに応じた操舵反力である車両挙動分反力を発生させるように前記反力アクチュエータを駆動制御する制御手段と、
   を備えた車両用操舵装置において、
   前記制御手段に、路面摩擦係数が所定値以下のとき、操舵角が大きいほどより大きな角度分反力を設定し、この角度分反力と前記車両挙動分反力とを加えた操舵反力を発生させるように前記反力アクチュエータを補償制御する補償制御部を設け、
   前記補償制御部は、路面摩擦係数が小さいほど操舵角に対する前記角度分反力をより大きくすることを特徴とする車両用操舵装置。
2. 路面とタイヤとの摩擦係数を検出する路面摩擦係数検出手段と、
   操舵手段の操舵角を検出する操舵角検出手段と、
   操舵手段に加わる操舵トルクを検出するトルク検出手段と、
   舵取機構に操舵補助力を加えるアシストアクチュエータと、
   前記操舵トルクに応じた操舵トルク分操舵補助力を発生させるように前記アシストアクチュエータを駆動制御する制御手段と、
   を備えた車両用操舵装置において、
   前記制御手段に、路面摩擦係数が所定値以下のとき、操舵角が大きいほどより大きな角度分反力を設定し、この角度分反力を前記操舵トルク分操舵補助力から減算した操舵補助力を発生させるように前記アシストアクチュエータを補償制御する補償制御部を設け、
   前記補償制御部は、路面摩擦係数が小さいほど操舵角に対する前記角度分反力をより大きくすることを特徴とする車両用操舵装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の車両用操舵装置において、
   前記角度分反力は、車速と操舵速度の少なくとも一方の関数であることを特徴とする車両用操舵装置。
4. 操舵手段に加わる操舵トルクを検出するトルク検出手段と、
   舵取機構に操舵力を加えるアシストアクチュエータと、
   前記操舵トルクに応じた操舵トルク分操舵補助力を発生させるように前記アシストアクチュエータを駆動制御する制御手段と、
   を備えた車両用操舵装置において、
   路面とタイヤとの摩擦係数を検出する路面摩擦係数検出手段と、
   操舵手段の操舵角を検出する操舵角検出手段と、
   を設け、
   前記制御手段に、路面摩擦係数が所定値以下のとき、操舵角が大きいほどより大きな角度分反力を設定し、この角度分反力を前記操舵トルク分操舵補助力から減算した操舵補助力を発生させるように前記アシストアクチュエータを補償制御する補償制御部を設け、
   前記補償制御部は、前記操舵トルク分操舵補助力を、車速と操舵速度の少なくとも一方に応じて変更することを特徴とする車両用操舵装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の車両用操舵装置において、
   前記角度分反力は、操舵角があらかじめ設定された第１設定角度以上のとき、略一定となることを特徴とする車両用操舵装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の車両用操舵装置において、
   前記角度分反力は、操舵角があらかじめ設定された第２設定角度以下のときゼロとなることを特徴とする車両用操舵装置。

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