JP4375558B2 - 伝達比可変操舵装置 - Google Patents

Description

本発明は、操舵入力軸の回転角に対する転舵出力軸の回転角の伝達比を変化させる伝達比可変手段を備えた伝達比可変操舵装置に関する。

従来から、例えば、下記特許文献１に示されるようなステアリング装置は知られている。この従来のステアリング装置は、ステアリング操舵角と転舵角とのギア比を可変に制御可能な可変ギア比アクチュエータを備えている。また、このステアリング装置は、舵角速度の絶対値が所定の速度より大きい場合に操舵反力を付与する反力モータを備えている。そして、この従来のステアリング装置によれば、舵角速度の絶対値が大きくなりすぎることを、反力モータを駆動させて操舵反力を付与することにより抑制するようになっている。

また、従来から、例えば、下記特許文献２に示されるような車両用操舵装置も知られている。この従来の車両用操舵装置は、操舵ハンドルの操舵角に対する転舵輪の転舵角の伝達比を車両の走行状態に応じて変化させる伝達比可変手段と、操舵の際の補助力を発生する補助力発生手段とを備えている。これにより、車両の走行状態に応じて伝達比を変化させるとともに、運転者による操舵に対して補助力を付与するようになっている。
特開平１０−３２４２６１号公報 特開２０００−６２６３２号公報

上記従来のステアリング装置においては、ステアリングホイール（操舵ハンドル）の舵角速度（操舵角速度）が、反力モータによる操舵反力によって抑制される。これにより、運転者によるステアリングホイールの回動操作に対する可変ギア比アクチュエータの追従性を確保することができる。ところで、このように、ステアリングホイールの舵角速度が制限される場合には、ステアリングホイールの回動操作において運転者が違和感を覚え、良好な操舵フィーリングが得られない場合がある。すなわち、運転者がステアリングホイールを回動操作している途中で、舵角速度が所定のしきい値を超えて急激に反力が付与されると、運転者はステアリングホイールに引っ掛かり感を覚える。

また、上記従来の車両用操舵装置においては、伝達比可変手段と補助力発生手段がともに作動することにより、運転者は良好な操舵フィーリングを得ることができる。しかしながら、例えば、大きな転舵角に転舵輪を転舵する場合には、補助力発生手段に対する負荷が増大して適切な補助力を発生できない場合がある。これは、運転者による操舵ハンドルの回動操作に対して補助力発生手段の追従性が悪化するためであり、このように補助力発生手段の追従性が悪化した場合にも、運転者は操舵ハンドルの回動操作において引っ掛かり感を覚える。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、運転者による操舵ハンドルの回動操作における違和感を抑制し、良好な操舵フィーリングが得られる伝達比可変操舵装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の特徴は、操舵ハンドルの回動操作に伴って一体的に回転する操舵入力軸と、転舵輪を転舵する転舵機構に接続される転舵出力軸と、前記操舵入力軸の回転角に対する前記転舵出力軸の回転角の伝達比を変化させて前記転舵出力軸を回転させる伝達比可変アクチュエータと、前記運転者による操舵ハンドルの操作力を軽減するためのトルクを発生する操作力軽減アクチュエータと、前記伝達比可変アクチュエータおよび操作力軽減アクチュエータの作動を制御するアクチュエータ制御装置とを備えた伝達比可変操舵装置において、前記アクチュエータ制御装置を、前記操作力軽減アクチュエータの作動速度を算出する作動速度算出手段と、前記転舵出力軸の回転角速度を算出する転舵角速度算出手段と、前記作動速度算出手段によって算出された前記操作力軽減アクチュエータの作動速度と前記転舵角速度算出手段によって算出された前記転舵出力軸の回転角速度とを比較し、前記操作力軽減アクチュエータの作動速度未満の回転角速度で前記伝達比可変アクチュエータの作動を制御する伝達比可変アクチュエータ制御手段とから構成したことにある。この場合、前記転舵角速度算出手段は、前記操舵ハンドルの回動操作に伴う操舵入力軸の回転角速度と、前記伝達比可変アクチュエータによって回転される転舵出力軸の回転角速度とを合算した値を、前記転舵出力軸の回転角速度として算出するとよい。

上記のように構成した本発明においては、アクチュエータ制御装置が、操作力軽減アクチュエータの作動速度と転舵出力軸の回転角速度とを算出する。このとき、転舵出力軸の回転角速度は、例えば、操舵ハンドルの回動操作に伴う操舵入力軸の回転角速度と、伝達比可変アクチュエータによって回転される転舵出力軸の回転角速度とを合算した値を採用することができる。そして、アクチュエータ制御装置は、この算出した作動速度と回転角速度とを比較して、転舵出力軸の回転角速度が操作力軽減アクチュエータの作動速度未満となるように伝達比可変アクチュエータの作動を制御する。これにより、例えば、操作力軽減アクチュエータに対する負荷が増大してその作動速度が小さくなっても、転舵出力軸の回転角速度が作動速度よりも小さくなるように伝達比可変アクチュエータを作動制御することにより、操作力軽減アクチュエータの追従性を確保することができる。

すなわち、操舵入力軸と転舵出力軸とは伝達比可変アクチュエータを介して互いに接続されているため、操舵入力軸と転舵出力軸とは相対的に回転可能である。このため、運転者による操舵ハンドルの回動操作に伴う操舵入力軸の回転角速度が大きくて操作力軽減アクチュエータの追従性が悪化する場合には、伝達比可変アクチュエータを転舵出力軸の回転角速度が作動速度よりも小さくなるように作動させることによって、操舵入力軸の大きな回転角速度を吸収することができる。このように、操舵入力軸の大きな回転角速度を吸収することによって、操舵ハンドルに作用する反力を極めて緩やかに変化させることができる。これにより、操作力軽減アクチュエータの追従性を確保することができるとともに、操舵ハンドルに対して急激な反力が入力することを防止できる。したがって、運転者の知覚する引っ掛かり感を抑制することができて、良好な操舵フィーリングを得ることができる。

また、この場合、前記アクチュエータ制御装置は、さらに、前記操作力軽減アクチュエータに流れる電流値を検出する電流値検出手段と、前記電流値検出手段によって検出された電流値を用いて、前記操作力軽減アクチュエータが発生するトルク値を算出するトルク値算出手段と、前記トルク値算出手段によって算出されたトルク値を用いて、前記操作力軽減アクチュエータが前記算出されたトルク値を発生するための回転数を算出する回転数算出手段とを備え、前記作動速度算出手段は、前記回転数算出手段によって算出された回転数を用いて、前記操作力軽減アクチュエータの作動速度を算出するとよい。

これによれば、操作力軽減アクチュエータの負荷状況を極めて精度よく算出することができ、操作力軽減アクチュエータの作動速度を極めて正確に算出することができる。すなわち、電流値検出手段によって操作力軽減アクチュエータに流れる電流値を正確に検出することができるため、この検出電流値によって発生されるトルク値を正確に算出することができる。そして、この算出したトルク値から操作力軽減アクチュエータの回転数を算出、より詳しくは、操作力軽減アクチュエータの負荷状況を反映した回転数を算出することができる。したがって、この算出した回転数を用いて操作力軽減アクチュエータの作動速度を算出すれば、実際に負荷が掛かっている操作力軽減アクチュエータの作動速度を正確に算出することができる。これにより、転舵出力軸の回転角速度がこの算出された作動速度未満となるように伝達比可変アクチュエータを駆動させることによって、操作力軽減アクチュエータの追従性を確保することができるとともに、操舵ハンドルに対して急激な反力が入力することを防止できる。したがって、運転者の知覚する引っ掛かり感を抑制することができる。

また、本発明の他の特徴は、前記操作力軽減アクチュエータが前記転舵機構に対して前記運転者による操舵ハンドルの操作力を軽減するトルクを伝達する構成とされており、前記アクチュエータ制御装置は、さらに、前記転舵機構に対して作用する外力の値を推定するとともに、同推定した外力の値を前記操作力軽減アクチュエータが前記転舵機構に対して伝達するトルク値として決定するトルク値決定手段と、前記トルク値決定手段によって決定されたトルク値を用いて、前記操作力軽減アクチュエータが前記決定されたトルク値を発生するための回転数を算出する回転数算出手段とを備え、前記作動速度算出手段は、前記回転数算出手段によって算出された回転数を用いて、前記操作力軽減アクチュエータの作動速度を算出することにもある。この場合、前記アクチュエータ制御装置は、さらに、外気温を検出する外気温検出手段と、車両の車速を検出する車速検出手段とを備え、前記トルク値決定手段は、前記推定した転舵機構に対して作用する外力を、前記外気温検出手段により検出された外気温および車速検出手段により検出された車速を用いて補正するとよい。

これらによれば、外気温および車速を考慮して転舵機構に作用する外力を推定するとともに、この推定した外力を操作力軽減アクチュエータが伝達するトルク値とすることができる。すなわち、この場合には、操作力軽減アクチュエータが転舵機構にトルクを伝達するため、転舵機構に作用する外力が操作力軽減アクチュエータに対する負荷とみなすことができる。これにより、負荷が掛かっている状態での操作力軽減アクチュエータのトルク値を決定することができ、このトルク値から回転数を算出することによって、実際に負荷が掛かっている操作力軽減アクチュエータの作動速度を算出することができる。これにより、転舵出力軸の回転角速度がこの算出された作動速度未満となるように伝達比可変アクチュエータを駆動させることによって、操作力軽減アクチュエータの追従性を確保することができるとともに、操舵ハンドルに対して急激な反力が入力することを防止できる。したがって、運転者の知覚する引っ掛かり感を抑制することができる。また、電流値検出手段を設けることなく、負荷が掛かっている操作力軽減アクチュエータの作動速度を算出することができるため、装置の構成を簡略化することができる。

以下、本発明の第１実施形態に係る車両に搭載された伝達比可変操舵装置（以下、単に操舵装置という）について図面を用いて詳細に説明する。図１は、第１実施形態に係る操舵装置を概略的に示している。

この操舵装置は、転舵輪としての左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２を転舵するために、運転者によって回動操作される操舵ハンドル１１を備えている。操舵ハンドル１１は、操舵入力軸１２の上端に固定されており、操舵入力軸１２の下端は、伝達比可変アクチュエータとしての可変ギア比アクチュエータ２０に接続されている。可変ギア比アクチュエータ２０は、電動モータ２１（以下、この電動モータをＶＧＲＳモータ２１という）および減速機２２を備えており、操舵入力軸１２の回動量（または回転角）に対して、減速機２２に接続された転舵出力軸１３の回動量（または回転角）を適宜変更するものである。

ＶＧＲＳモータ２１は、そのモータハウジングが操舵入力軸１２と一体的に接続されており、運転者による操舵ハンドル１１の回動操作に従って一体的に回転するようになっている。また、ＶＧＲＳモータ２１の駆動シャフト２１ａは減速機２２に接続されており、同ＶＧＲＳモータ２１の回転力が駆動シャフト２１ａを介して減速機２２に伝達されるようになっている。減速機２２は、所定のギア機構（例えば、遊星ギア機構など）によって構成されており、転舵出力軸１３はこのギア機構に接続されている。これにより、減速機２２は、ＶＧＲＳモータ２１の回転力が駆動シャフト２１ａを介して伝達されると、所定のギア機構によって駆動シャフト２１ａの回転を適宜減速して転舵出力軸１３に回転を伝達することができる。したがって、可変ギア比アクチュエータ２０は、ＶＧＲＳモータ２１の駆動シャフト２１ａを介して、操舵入力軸１２と転舵出力軸１３とを相対回転可能に連結しており、減速機２２によって操舵入力軸１２の回転量に対する転舵出力軸１３の回転量の比、すなわち、操舵入力軸１２から転舵出力軸１３への回転の伝達比（ギア比）を適宜変更することができる。

また、操舵装置は、転舵出力軸１３の下端に接続された転舵ギアユニット３０を備えている。転舵ギアユニット３０は、例えば、ラックアンドピニオン式を採用したギアユニットであり、転舵出力軸１３の下端に一体的に組み付けられたピニオンギア３１の回転がラックバー３２に伝達されるようになっている。また、転舵ギアユニット３０には、運転者によって操舵ハンドル１１に入力される操舵力（操舵トルク）を軽減するための、操作力軽減アクチュエータとしての電動モータ３３（以下、この電動モータをＥＰＳモータ３３という）が設けられており、ＥＰＳモータ３３の発生するトルク（アシスト力）がラックバー３２に伝達されるようになっている。この構成により、転舵出力軸１３の回転力がピニオンギア３１を介してラックバー３２に伝達されるとともに、ＥＰＳモータ３３のアシスト力がラックバー３２に伝達される。これにより、ラックバー３２は、ピニオンギア３１からの回転力およびＥＰＳモータ３３のアシスト力によって軸線方向に変位する。したがって、ラックバー３２の両端に接続された左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２は、左右に転舵されるようになっている。

次に、上述した可変ギア比アクチュエータ２０（詳しくは、ＶＧＲＳモータ２１）および転舵ギアユニット３０（詳しくは、ＥＰＳモータ３３）の作動を制御する、アクチュエータ制御装置としての電気制御装置４０について説明する。電気制御装置４０は、車速センサ４１、操舵角センサ４２、回転角センサ４３、操舵トルクセンサ４４およびモータ電流値検出センサ４５を備えている。

車速センサ４１は、車両の車速Vを検出して出力する。操舵角センサ４２は、操舵ハンドル１１の回動量すなわち操舵入力軸１２の回転量を検出して操舵角Θとして出力する。回転角センサ４３は、ＶＧＲＳモータ２１の駆動シャフト２１ａの回転量を検出して回転角θとして出力する。操舵トルクセンサ４４は、運転者による操舵ハンドル１１の回動操作に起因して転舵出力軸１３に作用するトルクを検出して操舵トルクTdとして出力する。モータ電流値検出センサ４５は、ＥＰＳモータ３３の両端電圧値と内蔵した抵抗の抵抗値に基づきＥＰＳモータ３３に流れる電流値を検出してモータ電流値ＩMOTRとして出力する。

また、電気制御装置４０は、可変ギア比アクチュエータ２０のＶＧＲＳモータ２１の作動を制御する電子制御ユニット４６（以下、この電子制御ユニットをＶＧＲＳＥＣＵ４６という）と、転舵ギアユニット３０のＥＰＳモータ３３の作動を制御する電子制御ユニット４７（以下、この電子制御ユニットをＥＰＳＥＣＵ４７という）とを備えている。これらＶＧＲＳＥＣＵ４６およびＥＰＳＥＣＵ４７は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどからなるマイクロコンピュータを主要構成部品とするものである。これらのＶＧＲＳＥＣＵ４６およびＥＰＳＥＣＵ４７は、例えば、車両内に構築された通信回線Ａを介して、互いに通信可能とされている。

そして、ＶＧＲＳＥＣＵ４６の入力側には、車速センサ４１、操舵角センサ４２および回転角センサ４３が接続されており、ＥＰＳＥＣＵ４７の入力側には、操舵角センサ４２、操舵トルクセンサ４４およびモータ電流値検出センサ４５が接続されている。これにより、ＶＧＲＳＥＣＵ４６およびＥＰＳＥＣＵ４７は、これら各センサ４１〜４５によって検出された検出値を用いて各種プログラムを実行して、ＶＧＲＳモータ２１およびＥＰＳモータ３３の作動を制御する。このため、ＶＧＲＳＥＣＵ４６およびＥＰＳＥＣＵ４７のそれぞれの出力側には、ＶＧＲＳモータ２１およびＥＰＳモータ３３を駆動するための駆動回路４８，４９が接続されている。

次に、上記のように構成した操舵装置の作動について説明する。図示しないイグニッションスイッチがオン状態とされると、ＶＧＲＳＥＣＵ４６およびＥＰＳＥＣＵ４７は、それぞれ、可変ギア比アクチュエータ２０および転舵ギアユニット３０の制御を開始する。ＶＧＲＳＥＣＵ４６は、車速センサ４１から現在の車速Vを入力するとともに、例えば、図２に示すようなマップを参照して、検出された車速Vに応じた伝達比Ｇを決定する。なお、伝達比Ｇは、車速Vの増大に伴って一様に小さくなるとともに、車速Vの減少に伴って一様に大きくなる特性を有している。この状態において、運転者によって操舵ハンドル１１の回動操作が開始されると、操舵入力軸１２、可変ギア比アクチュエータ２０および転舵出力軸１３も回転を開始する。この運転者の回動操作に伴い、ＶＧＲＳＥＣＵ４６は、操舵角センサ４２によって検出された操舵角Θを入力し、同入力した操舵角Θと決定した伝達比Ｇとを乗算することによって、操舵入力軸１２の操舵角Θに対する転舵出力軸１３の回転角δを計算する。

次に、ＶＧＲＳＥＣＵ４６は、計算した転舵出力軸１３の回転角δを実現するために必要なＶＧＲＳモータ２１の作動量すなわち駆動シャフト２１ａの目標回転角θhを計算する。具体的に説明すると、運転者による操舵ハンドル１１の回動操作に伴って、操舵入力軸１２と一体的に接続されたＶＧＲＳモータ２１のモータハウジングが回転する。このとき、ＶＧＲＳＥＣＵ４６は、モータハウジングの回転に応じて転舵出力軸１３を回転させるため、駆動回路４８を制御してＶＧＲＳモータ２１を駆動させる。次に、ＶＧＲＳＥＣＵ４６は、操舵入力軸１２の操舵角Θを基準として、転舵出力軸１３が回転角δを有するように目標回転角θhを計算する。上述したように、ＶＧＲＳモータ２１の駆動シャフト２１ａと転舵出力軸１３とは可変ギア比アクチュエータ２０の所定のギア機構によって連結されているため、転舵出力軸１３の回転角δはαを所定の定数とすれば、δ＝α×θhの関係が成立する。したがって、ＶＧＲＳＥＣＵ４６は、駆動シャフト２１ａの目標回転角θhをθh＝δ／αとして計算する。

そして、ＶＧＲＳＥＣＵ４６は、目標回転角θhを計算すると、回転角センサ４３によって検出される回転角θが目標回転角θhとなるまでオーバーシュートさせることなく駆動回路４８を制御して、ＶＧＲＳモータ２１の駆動シャフト２１ａを回転させる。これにより、転舵出力軸１３は、操舵入力軸１２の操舵角Θに対して伝達比Ｇとなる回転角δに回転される。したがって、ラックバー３２に噛み合うピニオンギア３１は、運転者による操舵ハンドル１１の回動操作によって操舵角Θと回転角δの和で表される回転角Δで回転するため、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２は、回転角Δと等しい転舵角Δで転舵される。

このように、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２が転舵角Δで転舵されることによって、運転者は車速に応じて良好な操舵フィーリングを得ることができる。すなわち、検出車速Vが増大すると伝達比Ｇが小さく決定されることから、操舵入力軸１２の回転方向に対して転舵出力軸１３は相対的に逆方向に回転される。この場合には、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の転舵角Δが操舵角Θと回転角δの差で表されるため、運転者の操舵ハンドル１１の回動操作に対して左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２が緩やかに転舵されるようになる。これにより、運転者は容易に操舵ハンドル１１を操作することができるとともに、高速走行時における車両の挙動を安定させることができる。

また、検出車速Vが減少すると伝達比Ｇが大きく決定されることから、操舵入力軸１２の回転方向にて転舵出力軸１３は相対的により多く回転される。この場合には、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の転舵角Δが操舵角Θと回転角δの和で表されるため、運転者の操舵ハンドル１１の回動操作に対して左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２が速やかに転舵される。これにより、例えば、車庫入れなどにおいては、運転者による操舵ハンドル１１の回動操作量を少なくすることができて、運転者の操作負担を軽減することができる。

一方、ＥＰＳＥＣＵ４７は、運転者によって操舵ハンドル１１を介して入力された操舵トルクの大きさに応じて、この入力された操舵トルクを軽減すべくＥＰＳモータ３３を駆動させて、ラックバー３２にアシスト力を伝達する。すなわち、ＥＰＳＥＣＵ４７は、操舵トルクセンサ４４から操舵トルクTdを入力し、操舵トルクTdの大きさに応じてＥＰＳモータ３３の駆動させるための制御量を設定する。そして、ＥＰＳＥＣＵ４７は、設定した制御量に基づいて、オーバーシュートさせることなく駆動回路４９を制御して、ＥＰＳモータ３３を駆動させる。これにより、運転者による操舵ハンドル１１の回動操作に係る操舵トルクTdが軽減され、運転者の肉体的な負担が軽減される。

ところで、このＥＰＳモータ３３がトルクを発生して操舵トルクTdが軽減されるまでの時間は、ラックバー３２の中立位置からのストローク位置によって遅れる傾向にある。すなわち、ラックバー３２のストローク位置が中立位置から大きく離れている場合、言い換えれば、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の転舵角が大きい場合には、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２から大きな外力（例えば、セルフアライメントトルクなど）が入力するため、ラックバー３２を中立位置方向へ戻す力が大きくなる。このため、ＥＰＳモータ３３の駆動に対する負荷が大きくなり、ＥＰＳモータ３３が駆動を開始してから、ラックバー３２に対して有効なアシスト力を伝達するまでに時間差が生じる。言い換えれば、運転者による操舵ハンドル１１の回動操作に対して、ＥＰＳモータ３３の追従性が悪化する。

このように、ＥＰＳモータ３３の追従性が悪化する状況では、適切なアシスト力がラックバー３２に伝達されないため、転舵出力軸１３の回転負荷が増大するとともに、可変ギア比アクチュエータ２０を介して接続されている操舵入力軸１２および同操舵入力軸１２に一体的に組み付けられた操舵ハンドル１１の回転負荷も増大する。これらの回転負荷の増大は、運転者によって操舵トルクの増大すなわち反力トルクの増大として知覚され、これが操舵ハンドル１１の引っ掛かり感となる。そこで、ＶＧＲＳＥＣＵ４６およびＥＰＳＥＣＵ４７は、ＥＰＳモータ３３の追従性の悪化、言い換えれば、運転者が知覚する引っ掛かり感を解消するため、互いに協調して、図３に示す追従性確保プログラムを実行する。以下、この追従性確保プログラムについて詳細に説明する。

この追従性確保プログラムは、図示しないイグニッションスイッチがオン状態とされると、ＥＰＳＥＣＵ４７がステップＥ１０にてその実行を所定の短い時間間隔によって繰り返し実行する。そして、ＥＰＳＥＣＵ４７は、ステップＥ１１にて、モータ電流値検出センサ４５によって検出されたＥＰＳモータ３３のモータ電流値ＩMOTRを入力してステップＥ１２に進む。

ステップＥ１２においては、ＥＰＳＥＣＵ４７は、前記ステップＥ１１にて入力したモータ電流値ＩMOTRを用いて、ＥＰＳモータ３３が発生しているモータトルクTを算出する。具体的に説明すると、ＥＰＳＥＣＵ４７は、図４に示すように、モータ電流値ＩMOTRの増大に伴ってモータトルクTが一様に増大する特性の変換テーブルを用いて、モータトルクTを算出する。例えば、図４に示すように、前記ステップＥ１１にて検出されたモータ電流値ＩMOTRが「Ｉ１」であれば、モータトルクTが「Ｔ１」として算出される。このように、ＥＰＳＥＣＵ４７は、ＥＰＳモータ３３のモータ電流値ＩMOTRを用いてモータトルクTを算出すると、ステップＥ１３に進む。

ステップＥ１３においては、ＥＰＳＥＣＵ４７は、ＥＰＳモータ３３が前記ステップＥ１２にて算出したモータトルクTを発生するときの最大回転数Nを算出する。具体的に説明すると、ＥＰＳＥＣＵ４７は、図５に示すように、モータトルクTの増大に伴って最大回転数Nが一様に減少する特性の変換テーブルを用いて、最大回転数Nを算出する。例えば、図５に示すように、前記ステップＥ１２にて算出されたモータトルクTが「Ｔ１」であれば、最大回転数Nが「Ｎ１」として算出される。このように、ＥＰＳＥＣＵ４７は、ＥＰＳモータ３３がモータトルクTを発生させるときの最大回転数Nを算出すると、ステップＥ１４に進む。そして、ステップＥ１４にて、ＥＰＳＥＣＵ４７は、前記ステップＥ１３にて算出した最大回転数NをＶＧＲＳＥＣＵ４６に対して出力する。このとき、ＥＰＳＥＣＵ４７は、通信回線Ａを介して、ＶＧＲＳＥＣＵ４６に最大回転数Nを出力する。このように、最大回転数Nを出力すると、ＥＰＳＥＣＵ４７は、ステップＥ１５にてプログラムの実行を一旦終了する。

ＶＧＲＳＥＣＵ４６においては、ステップＶ１０にて、ＥＰＳＥＣＵ４７によって出力された最大回転数Nを、通信回線Ａを介して入力する。続くステップＶ１１にて、ＶＧＲＳＥＣＵ４６は、操舵入力軸１２の操舵角速度dΘ／dtと、ＶＧＲＳモータ２１の回転角速度dθ／dtとを算出する。すなわち、ＶＧＲＳＥＣＵ４６は、操舵角センサ４２から操舵入力軸１２の操舵角Θを入力するとともに、回転角センサ４３からＶＧＲＳモータ２１の駆動シャフト２１ａの回転角θを入力する。次に、ＶＧＲＳＥＣＵ４６は、入力した操舵角Θおよび回転角θをそれぞれ時間微分し、操舵角速度dΘ／dtおよび回転角速度dθ／dtを算出する。そして、ＶＧＲＳＥＣＵ４６は、操舵角速度dΘ／dtおよび回転角速度dθ／dtを算出すると、ステップＶ１２に進む。

ステップＶ１２においては、ＶＧＲＳＥＣＵ４６は、ＶＧＲＳモータ２１の回転角速度dθ／dtを制限する回転角速度制限値を設定する。以下、この回転角速度制限値の設定について詳細に説明する。上述したように、運転者が知覚する引っ掛かり感は、ＥＰＳモータ３３の追従性が悪化したときに知覚される。このＥＰＳモータ３３の追従性の悪化は、転舵ギアユニット３０を構成するラックバー３２に対するピニオンギア３１の回転角速度とラックバー３２に対するＥＰＳモータ３３の作動速度とが一致しないときに発生する。より詳しくは、ピニオンギア３１の回転角速度がＥＰＳモータ３３の作動速度よりも大きいときに、ＶＥＰＳモータ３３の追従性の悪化が発生する。

言い換えれば、ピニオンギア３１の回転角速度がＥＰＳモータ３３の作動速度よりも常に小さくなる条件を満たせば、ＥＰＳモータ３３の追従性を常に確保することができる。ここで、ラックバー３２に対するピニオンギア３１の回転角速度は、回転角速度dΔ／dtと表すことができ、ラックバー３２に対するＥＰＳモータ３３の作動速度は、前記ステップＶ１０にて入力したＥＰＳモータ３３の最大回転数NとＥＰＳモータ３３とラックバー３２間の減速比βを用いることによって作動速度β×Nと表すことができる。このため、上記条件は、下記式１で表すことができる。
dΔ／dt＜β×N …式１

ここで、ピニオンギア３１の回転角Δは、上述したように、操舵入力軸１２の操舵角Θと転舵出力軸１３の回転角δの和で表されるため、前記式１は、下記式２のように表すことができる。
dΘ／dt＋dδ／dt＜β×N …式２
この式２を変形すれば、下記式３が成立する。
dδ／dt＜β×N−dΘ／dt …式３
ところで、転舵出力軸１３の回転角δは、ＶＧＲＳモータ２１の駆動シャフト２１ａが目標回転角θhまで回転することにより実現されることから、上述したように、δ＝α×θhと表すことができる。ここで、αが定数であるため、α×θhを単に回転角θで表せば、前記式３は、下記式４に変形することができる。
dθ／dt＜β×N−dΘ／dt …式４

したがって、ＶＧＲＳＥＣＵ４６が、前記式４が成立するようにＶＧＲＳモータ２１の駆動を制御する、すなわち、ＶＧＲＳモータ２１の回転角速度dθ／dtに対し、回転角速度制限値をβ×N−dΘ／dtに設定して駆動制御すれば、ＥＰＳモータ３３の追従性を常に確保することができる。このように、ＶＧＲＳＥＣＵ４６は、ＶＧＲＳモータ２１の回転角速度制限値を設定すると、ステップＶ１３に進む。

ステップＶ１３においては、ＶＧＲＳＥＣＵ４６は、駆動回路４８を制御して、前記ステップＶ１２にて設定した回転角速度制限値よりも小さくなるように、ＶＧＲＳモータ２１を駆動させる。ここで、回転角速度制限値が負となる、すなわち、ＥＰＳモータ３３の作動速度β×Nよりも操舵入力軸１２の操舵角速度dΘ／dtが大きくなる場合がある。この場合には、ＶＧＲＳＥＣＵ４６は、ＶＧＲＳモータ２１の回転方向を操舵入力軸１２の回転方向と逆方向に回転させる。これにより、ＶＧＲＳモータ２１の回転角速度dθ／dtを回転角速度制限値よりも小さくすることができる。このように、ＶＧＲＳＥＣＵ４６が、ＶＧＲＳモータ２１の回転角速度dθ／dtを回転角速度制限値よりも小さくなるように駆動制御することにより、ＥＰＳモータ３３の追従性を常に確保することができる。そして、ＶＧＲＳＥＣＵ４６は、続くステップＶ１４にてプログラムの実行を一旦終了する。

以上の説明からも理解できるように、この第１実施形態によれば、ＶＧＲＳＥＣＵ４６は、ＥＰＳモータ３３の作動速度β×Nと転舵出力軸１３すなわちピニオンギア３１の回転角速度dΔ／dtとを算出する。このとき、転舵出力軸１３すなわちピニオンギア３１の回転角速度dΔ／dtは、操舵ハンドル１１の回動操作に伴う操舵入力軸１２の回転角速度dΘ／dtと、可変ギア比アクチュエータ２０によって回転される転舵出力軸１３の回転角速度dδ／dtとを合算した値とすることができる。さらに、転舵出力軸１３の回転角δは、ＶＧＲＳモータ２１の駆動シャフト２１ａが目標回転角θhまで回転することにより実現されることから、回転角速度dθ／dtと表すことができる。そして、ＶＧＲＳＥＣＵ４６は、前記式４が成立するようにＶＧＲＳモータ２１の作動を制御する。これにより、例えば、ＥＰＳモータ３３に対する負荷が増大してその作動速度β×Nが小さくなっても、転舵出力軸１３すなわち駆動シャフト２１ａの回転角速度dθ／dtが作動速度β×Nよりも小さくなるようにＶＧＲＳモータ２１を作動制御することにより、ＥＰＳモータ３３の追従性を確保することができる。

すなわち、操舵入力軸１２と転舵出力軸１３とは可変ギア比アクチュエータ２０を介して互いに接続されているため、操舵入力軸１２と転舵出力軸１３とは相対的に回転可能である。このため、運転者による操舵ハンドル１１の回動操作に伴う操舵入力軸１２の回転角速度dΘ／dtが大きくてＥＰＳモータ３３の追従性が悪化する場合には、前記式４が成立するように、ＶＧＲＳモータ２１の回転角速度dθ／dtを制御することによって、操舵入力軸１２の大きな回転角速度dΘ／dtを吸収することができる。このように、操舵入力軸１２の大きな回転角速度dΘ／dtを吸収することによって、操舵ハンドル１１に作用する反力を極めて緩やかに変化させることができる。これにより、ＥＰＳモータ３３の追従性を確保することができるとともに、操舵ハンドル１２に対して急激な反力が入力することを防止できる。したがって、運転者の知覚する引っ掛かり感を抑制することができて、良好な操舵フィーリングを得ることができる。

次に、本発明に係る第２実施形態について説明する。上記第１実施形態においては、モータ電流値検出センサ４５を設けて、ＥＰＳモータ３３に流れるモータ電流値ＩMOTRを直接検出するように実施した。これにより、例えば、路面摩擦力や外気温などの外乱の影響を小さくして、負荷の掛かったＥＰＳモータ３３の最大回転数Nを精度高く算出することができ、回転角速度制限値を設定することができる。しかしながら、算出される最大回転数Nは、モータ電流値検出センサ４５の検出精度の影響を受けやすくなる。このため、モータ電流値検出センサ４５を設けることなく、回転角速度制限値を設定してＶＧＲＳモータ２１の回転角速度dθ／dtを制御することもできる。以下、この第２実施形態について、詳細に説明する。なお、この第２実施形態においては、上記第１実施形態におけるモータ電流値検出センサ４５を省略し、新たに外気温センサ５１を設けたこと以外、構成が同一であるため、上記第１実施形態と同一部位に同一の符号を付してその説明を省略する。

外気温センサ５１は、外気に曝される転舵ギアユニット３０の近傍に配置されて、同ユニット３０の周辺雰囲気の気温を検出し、外気温TempとしてＥＰＳＥＣＵ４７に出力する。そして、この第２実施形態においても、ＶＧＲＳＥＣＵ４６とＥＰＳＥＣＵ４７とは、互いに協調して、所定の短い時間間隔によって図７に示す追従性確保プログラムを実行する。

この第２実施形態に係る追従性確保プログラムは、上記第１実施形態の追従性確保プログラムにおけるステップＥ１１およびステップＥ１２が省略されて、代わりにステップＥ２０，２１，２２が追加されている。すなわち、ＥＰＳＥＣＵ４７は、ステップＥ１０にて追従性確保プログラムの実行を開始し、ステップＥ２０にて、ＥＰＳＥＣＵ４７は、ラックバー３２のストローク位置Ｌを算出する。具体的に説明すると、ＥＰＳＥＣＵ４７は、操舵角センサ４２から操舵入力軸１２の操舵角Θを入力するとともに、ＶＧＲＳＥＣＵ４６によって計算された転舵出力軸１３の回転角δを入力する。そして、ＥＰＳＥＣＵ４７は、これら入力した操舵角Θおよび回転角δを加算することにより、ピニオンギア３１の回転角Δすなわち転舵角Δを算出する。この算出した転舵角Δを用いて、ＥＰＳＥＣＵ４７は、ピニオンギア３１の回転量を計算し、同ピニオンギア３１と噛み合っているラックバー３２のストローク量を計算する。このように、ラックバー３２のストローク量を計算することにより、ＥＰＳＥＣＵ４７は、ラックバー３２の中立位置からのストローク位置Ｌを算出する。

ＥＰＳＥＣＵ４７は、前記ステップＥ２０にてラックバー３２のストローク位置Ｌを算出すると、ステップＥ２１にて、外気温センサ５１から外気温Tempを入力するとともに、車速センサ４１から現在の車速Vを入力してステップＥ２２に進む。ステップＥ２２においては、ＥＰＳＥＣＵ４７は、ラックバー３２に作用している軸力Fを推定して算出する。以下、この軸力Fの算出について、具体的に説明する。まず、ＥＰＳＥＣＵ４７は、軸力Fを推定して算出するにあたり、前記ステップＥ２１にて入力した外気温Tempおよび車速Vを用いて、図８に示すように、ラックバー３２のストローク位置Ｌに対する軸力Fを表すマップを適宜補正する。このマップの補正について説明する。

ラックバー３２は、転舵ギアユニット３０内に封入されたオイルに接して配置されている。一般的に、オイルの粘度特性は、オイルの温度によって変化し、温度が低い状態では粘度が高くなり、温度が高い状態では粘度は低くなる。この粘度特性によれば、転舵ギアユニット３０周辺の外気温が低いときには封入されたオイルの粘度が高くなっており、この高粘度によりラックバー３２が変位する際の抵抗は大きくなる。一方、転舵ギアユニット３０周辺の外気温が高いときには封入されたオイルの粘度が低くなっており、ラックバー３２が変位する際の抵抗は小さくなる。このため、ラックバー３２に作用する軸力Fを推定するにあたっては、ＥＰＳＥＣＵ４７は、図８にて破線で示すように、入力した外気温Tempが低いときには、軸力Fが大きくなる方向にマップを補正する。また、ＥＰＳＥＣＵ４７は、入力した外気温Tempが高いときには、図８にて一点鎖線で示すように、軸力Fが小さくなる方向にマップを補正する。

また、ラックバー３２は、その両端にて、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２と連結されている。このため、車速が大きくなると、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２から入力されるセルフアライメントトルクが大きくなり、車速が小さくなると、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２から入力されるセルフアライメントトルクが小さくなる。この入力されるセルフアライメントトルクも、ラックバー３２が変位する際の抵抗となるため、ＥＰＳＥＣＵ４７は、図８にて破線で示すように、入力した車速Vが大きいときには、軸力Fが大きくなる方向にマップを補正する。また、ＥＰＳＥＣＵ４７は、入力した車速Vが小さいときには、図８にて一点鎖線で示すように、軸力Fが小さくなる方向にマップを補正する。

そして、ＥＰＳＥＣＵ４７は、上記のように補正したマップを参照することによって、前記ステップＥ２０にて算出したストローク位置Ｌに対応するラックバー３２の軸力Fを推定して算出する。このように、ラックバー３２の軸力Fを算出すると、ＥＰＳＥＣＵ４７は、ステップＥ１３に進む。ステップＥ１３においては、ＥＰＳＥＣＵ４７は、上記第１実施形態と同様に、図５にてモータトルクTと最大回転数Nの関係を示したマップを参照して、ＥＰＳモータ３３の最大回転数Nを算出する。このとき、ＥＰＳＥＣＵ４７は、前記ステップＥ２２にて算出したラックバー３２に作用する軸力FをＥＰＳモータ３３が発生しているモータトルクTとして最大回転数Nを算出する。これに関し、厳密には、ラックバー３２に作用する軸力Fは、ピニオンギア３１の回転力とＥＰＳモータ３３のアシスト力（モータトルクT）の和に等しくなる。しかし、ピニオンギア３１の回転力に比して、ＥＰＳモータ３３のモータトルクTが大きいため、ラックバー３２に作用する軸力FをＥＰＳモータ３３のモータトルクTとして扱っても、差し支えない。

ＥＰＳＥＣＵ４７は、前記ステップＥ１３にて、ＥＰＳモータ３３の最大回転数Nを算出後、上記第１実施形態と同様に、ステップＥ１４にて算出した最大回転数NをＶＧＲＳＥＣＵ４６に出力し、ステップＥ１５にてプログラムの実行を一旦終了する。一方、ＶＧＲＳＥＣＵ４６は、上記第１実施形態と全く同様に、ステップＶ１０からステップＶ１４の各処理を実行する。このため、これら各ステップの説明を省略する。

以上の説明からも理解できるように、この第２実施形態によっても、ＶＧＲＳモータ２１の回転角速度dθ／dtを制限することによって、ＥＰＳモータ３３の追従性を良好に確保することができ、運転者が知覚する操舵ハンドル１１の引っ掛かり感を解消することができる。また、上記第１実施形態に比して若干精度が劣るものの、モータ電流値検出センサ４５を用いることなく実施可能であるため、簡易的な構成とすることができ、例えば、操舵装置の製造コストを低減することができる。

また、本発明の実施にあたっては、上記第１または第２実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

例えば、上記第１および第２実施形態においては、転舵ギアユニット３０にＥＰＳモータ３３を設けてラックバー３２にアシスト力を伝達するように構成して実施した。しかし、ＥＰＳモータ３３の配置については、運転者による操舵ハンドル１１の回動操作に対してアシスト力を伝達可能であれば、例えば、アシスト力を転舵出力軸１３に伝達するように配置するなど、いかなる態様で配置してもよい。この場合においても、アシスト力を伝達するＥＰＳモータ３３の負荷が増大しても、同ＥＰＳモータ３３の追従性を悪化させることなく実施することができる。また、上記第１および第２実施形態においては、転舵ギアユニット３０にラックアンドピニオン式を採用して実施したが、例えば、ボールねじ機構を採用して実施することもできる。また、可変ギア比アクチュエータ２０をＶＧＲＳモータ２１と減速機２２とから構成して実施したが、例えば、ＶＧＲＳモータ２１にステップモータを採用して減速機２２を省略することも可能である。

さらに、上記第１実施形態と第２実施形態とを切り替えて実施することも可能である。例えば、上記第１実施形態におけるモータ電流値検出センサ４５が不調となった場合には、自動的にまたは手動により第２実施形態の制御に切り替えることにより、常に、ＶＧＲＳモータ２１の回転角速度dθ／dtを制限して駆動させることができる。これにより、運転者は、操舵ハンドル１１の回動操作において引っ掛かり感を覚えることがなく、良好な操舵フィーリングを得ることができる。

本発明の第１実施形態に係る車両の操舵装置の概略図である。 車速と伝達比の関係を示すグラフである。 図１のＥＰＳＥＣＵおよびＶＧＲＳＥＣＵによって実行される追従性確保プログラムを示すフローチャートである。 図１のＥＰＳモータにおけるモータ電流値とモータトルクの関係を示すグラフである。 図１のＥＰＳモータにおけるモータトルクと最大回転数との関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る車両の操舵装置の概略図である。 図６のＥＰＳＥＣＵおよびＶＧＲＳＥＣＵによって実行される追従性確保プログラムを示すフローチャートである。 図６のラックバーのストローク位置と軸力の関係を示すグラフである。

符号の説明

ＦＷ１，ＦＷ２…前輪、１１…操舵ハンドル、１２…操舵入力軸、１３…転舵出力軸、２０…可変ギア比アクチュエータ、２１…ＶＧＲＳモータ、２１ａ…駆動シャフト、２２…減速機、３０…転舵ギアユニット、３１…ピニオンギア、３２…ラックバー、３３…ＥＰＳモータ、４０…電気制御装置、４１…車速センサ、４２…操舵角センサ、４３…回転角センサ、４４…操舵トルクセンサ、４５…モータ電流値検出センサ、４６…ＶＧＲＳＥＣＵ、４７…ＥＰＳＥＣＵ、４８，４９…駆動回路、５１…外気温センサ

Claims (5)

1. 操舵ハンドルの回動操作に伴って一体的に回転する操舵入力軸と、転舵輪を転舵する転舵機構に接続される転舵出力軸と、前記操舵入力軸の回転角に対する前記転舵出力軸の回転角の伝達比を変化させて前記転舵出力軸を回転させる伝達比可変アクチュエータと、前記運転者による操舵ハンドルの操作力を軽減するためのトルクを発生する操作力軽減アクチュエータと、前記伝達比可変アクチュエータおよび操作力軽減アクチュエータの作動を制御するアクチュエータ制御装置とを備えた伝達比可変操舵装置において、前記アクチュエータ制御装置を、
   前記操作力軽減アクチュエータの作動速度を算出する作動速度算出手段と、
   前記転舵出力軸の回転角速度を算出する転舵角速度算出手段と、
   前記作動速度算出手段によって算出された前記操作力軽減アクチュエータの作動速度と前記転舵角速度算出手段によって算出された前記転舵出力軸の回転角速度とを比較し、前記操作力軽減アクチュエータの作動速度未満の回転角速度で前記伝達比可変アクチュエータの作動を制御する伝達比可変アクチュエータ制御手段とから構成したことを特徴とする伝達比可変操舵装置。
2. 請求項１に記載した伝達比可変操舵装置において、
   前記アクチュエータ制御装置は、さらに、
   前記操作力軽減アクチュエータに流れる電流値を検出する電流値検出手段と、
   前記電流値検出手段によって検出された電流値を用いて、前記操作力軽減アクチュエータが発生するトルク値を算出するトルク値算出手段と、
   前記トルク値算出手段によって算出されたトルク値を用いて、前記操作力軽減アクチュエータが前記算出されたトルク値を発生するための回転数を算出する回転数算出手段とを備え、前記作動速度算出手段は、
   前記回転数算出手段によって算出された回転数を用いて、前記操作力軽減アクチュエータの作動速度を算出することを特徴とする伝達比可変操舵装置。
3. 請求項１に記載した伝達比可変操舵装置において、
   前記転舵角速度算出手段は、
   前記操舵ハンドルの回動操作に伴う操舵入力軸の回転角速度と、前記伝達比可変アクチュエータによって回転される転舵出力軸の回転角速度とを合算した値を、前記転舵出力軸の回転角速度として算出することを特徴とする伝達比可変操舵装置。
4. 請求項１に記載した伝達比可変操舵装置において、
   前記操作力軽減アクチュエータが前記転舵機構に対して前記運転者による操舵ハンドルの操作力を軽減するトルクを伝達する構成とされており、
   前記アクチュエータ制御装置は、さらに、
   前記転舵機構に対して作用する外力の値を推定するとともに、同推定した外力の値を前記操作力軽減アクチュエータが前記転舵機構に対して伝達するトルク値として決定するトルク値決定手段と、
   前記トルク値決定手段によって決定されたトルク値を用いて、前記操作力軽減アクチュエータが前記決定されたトルク値を発生するための回転数を算出する回転数算出手段とを備え、前記作動速度算出手段は、
   前記回転数算出手段によって算出された回転数を用いて、前記操作力軽減アクチュエータの作動速度を算出することを特徴とする伝達比可変操舵装置。
5. 請求項４に記載した伝達比可変操舵装置において、
   前記アクチュエータ制御装置は、さらに、
   外気温を検出する外気温検出手段と、
   車両の車速を検出する車速検出手段とを備え、
   前記トルク値決定手段は、前記推定した転舵機構に対して作用する外力を、前記外気温検出手段により検出された外気温および車速検出手段により検出された車速を用いて補正することを特徴とする伝達比可変操舵装置。
   

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