JP4396453B2 - 車両用操舵装置 - Google Patents

Description

本発明は、操作入力手段と舵取り機構とが機械的に切り離された、いわゆるステア・バイ・ワイヤシステムによる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では、操舵角が操向輪の限界転舵角に対応するロック角度に達したとき、操舵反力アクチュエータに最大電流を与え、最大の操舵反力トルクを出力することにより、しっかりとした硬いロック感を再現している（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−８７３０８号公報

しかしながら、上記従来の車両用操舵装置にあっては、ロック角度では常に最大の操舵反力トルクを出力してロック感を模擬する構成であるため、運転者の操舵トルクと操舵反力トルクとの不釣り合いが発生し、操舵トルクが操舵反力トルクよりも小さい場合には、運転者の手が押し戻されてしまうという問題があった。

本発明は、上記従来技術が抱える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、ロック角度における操舵トルクと操舵反力トルクとの不釣り合い防止と、しっかりとした硬いロック感の再現とを両立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、
操向輪を転舵させる舵取り機構と機械的に切り離された操作入力手段と、
この操作入力手段に操舵反力を発生させる操舵反力アクチュエータと、
この操舵反力アクチュエータの操舵反力を制御する操舵反力制御手段と、
を有する車両用操舵装置において
前記操作入力手段の操舵角を検出する操舵角検出手段を設け、
前記操舵反力制御手段は、前記操舵角が前記操向輪の限界転舵角に対応する操舵角であるロック角度に到達したとき、前記操舵角がこのロック角度を越えないロック角度近傍の所定操舵角と一致するように前記操舵反力アクチュエータを制御する角度サーボ制御を実施することを特徴とする。

本発明にあっては、転舵角がロック角度に到達したとき、操舵角をロック角度近傍の所定操舵角に留めようとする角度サーボ制御（位置制御）を実施するため、運転者の操舵トルクと操舵反力トルクとの不釣り合いを発生させることなく、しっかりとした硬いロック感を再現できる。

以下に、本発明の車両用操舵装置を実施するための最良の形態を、実施例１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の車両用操舵装置が適用されたステア・バイ・ワイヤシステムを示す全体構成図である。

実施例１装置が適用されたステア・バイ・ワイヤシステムは、図１に示すように、ステアリングホイール（操作入力手段）１と、操向輪９，９を転舵させる舵取り機構２との間に機械的なつながりが無い。

ステアリングホイール１と連結したコラムシャフト１０には、操舵角センサ３と操舵反力アクチュエータ７と操舵トルクセンサ８とが設けられている。操舵角センサ３は、ステアリングホイール１の操舵角を検出する。操舵反力アクチュエータ７は、例えば、クラッチ付きのDCブラシレスモータであり、モータ軸が図外の減速器を介してコラムシャフト１０に連結されている。操舵トルクセンサ８は、運転者の操舵トルクを検出する。

舵取り機構２と連結したピニオンシャフト１１には、転舵角センサ５と転舵アクチュエータ６が設けられている。転舵角センサ５は、操向輪９，９の転舵角を検出する。転舵アクチュエータ６は、操舵反力アクチュエータ７と同様に、クラッチ付きのDCブラシレスモータであり、モータ軸が図外の減速器を介してピニオンシャフト１１に連結されている。

操舵反力アクチュエータ７と転舵アクチュエータ６を制御する電子制御手段として、操舵制御コントロールユニット（操舵反力制御手段）４が設けられ、この操舵制御コントロールユニット４には、操舵角センサ３からの操舵角と、操舵トルクセンサ８からの操舵トルクと、転舵角センサ５からの転舵角と、車速センサ１２からの車速とが入力される。

操舵制御コントロールユニット４は、操舵角と車速に基づいて目標転舵角を算出し、この目標転舵角に実際の転舵角が一致するよう、転舵アクチュエータ６を駆動制御する。

操舵制御コントロールユニット４は、操舵角が操向輪９，９の限界転舵角に対応するロック角度以下のとき、操向輪９，９の転舵角に基づいて目標操舵反力トルクを算出し、この目標操舵反力トルクに実際の操舵トルクが一致するよう、操舵反力アクチュエータ７を駆動制御する通常操舵反力制御を実施する。なお、実施例１の通常操舵反力制御では、操舵トルクの絶対値が大きくなるほど目標操舵反力トルクを大きくしている。

また、操舵制御コントロールユニット４は、操舵角がロック角度に到達したとき、操舵角がロック角度と一致するように、すなわち、操舵角とロック角度との偏差が無くなるように操舵反力アクチュエータ７を制御する角度サーボ制御を実施する。ここで、操舵角がロック角度を超えないロック角度近傍の操舵角と一致するようにしてもよい。

次に、作用を説明する。
［操舵反力制御処理］
図２は実施例１装置の操舵制御コントロールユニット１０で実行される操舵反力制御処理の流れを示すフローチャートで、以下、各ステップについて説明する。なお、この制御ロジックは、例えば、イグニッションキースイッチのONからOFFまで継続される。

ステップS1では、通常操舵反力制御を作動させ、ステップS2へ移行する。

ステップS2では、操舵角センサ３からの操舵角を入力し、ステアリングホイール１の操舵角が操向輪９，９の限界転舵角に対応するロック角度を越えたかどうかを判定する。YESの場合にはステップS3へ移行し、NOの場合にはステップS1へ移行する。

ステップS3では、通常操舵反力制御から角度サーボ制御に切り替え、ステップS4へ移行する。

ステップS4では、操舵角センサ３からの操舵角を入力し、ステアリングホイール１の操舵角とロック角との角度偏差が所定値以下であるかどうかを判定する。YESの場合にはステップS5へ移行し、NOの場合にはステップS3へ移行する。
ここで、操舵角がロック角度を越えないロック角度近傍の所定操舵角に一致するように角度サーボ制御を実施する場合には、操舵角と所定操舵角との角度偏差が所定値以下であるかどうかを判定する。

ステップS5では、操舵トルクセンサ８からの操舵トルクを入力し、運転者の操舵トルクが所定値以下であるかどうかを判定する。YESの場合にはステップS6へ移行し、NOの場合にはステップS3へ移行する。

ステップS6では、角度サーボ制御から通常操舵反力制御へ切り替え、ステップS1へ移行する。ここで、角度サーボ制御から通常操舵反力制御へ移行した直後の操舵反力は、あらかじめ設定された所定の大きさの操舵反力とする。

［操舵反力制御作動］
ステアリングホイール１の操舵角がロック角度以下である場合には、図２のフローチャートにおいて、ステップS1→ステップS2へと進む流れが繰り返され、操舵トルクに応じた操舵反力を出力する通常操舵反力制御が継続される。

ステアリングホイール１の操舵角がロック角度を越えた場合には、図２のフローチャートにおいて、ステップS1→ステップS2やステップS3→ステップS4→ステップS5へと進み、ステップS4において操舵角とロック角度との偏差が所定値以下となり、ステップS5において操舵トルクが所定値以下となるまで、ステップS3→ステップS4→ステップS5へと進む流れが繰り返される。

すなわち、ステップS2で操舵角がロック角度を越えたと判断されると、ステップS3では、通常操舵反力制御から角度サーボ制御へと切り替えられ、以降、操舵角とロック角度との偏差が所定値以下、かつ操舵トルクが所定値以下となるまで、ロック角度を目標角とする角度サーボ制御が継続される。

よって、角度サーボ制御中は、運転者の操舵トルクにかかわらず、目標角であるロック角度に対し、操舵反力アクチュエータ７のモータ電流を増減させることにより、操舵角を近づける制御が実施されるため、操舵トルクと操舵反力トルクとの不釣り合いが発生することがない。

また、操舵角とロック角度との偏差が所定値によりも大きい、すなわち操舵角が十分ロック角度に追従していない領域では、通常操舵反力制御に移行せず、角度サーボ制御を継続するため、従来のように運転者の手が押し戻されるのを回避できる。

ステップS4において操舵角とロック角度との偏差が所定値以下となり、ステップS5において操舵トルクが所定値以下となった場合には、ステップS5→ステップS6へと進み、ステップS6では、角度サーボ制御から通常操舵反力制御へと切り替えられる。

角度サーボ制御は位置制御であるため、操舵角をロック角度に固定する。つまりステアリングホイール１の切り増し方向には、当然操舵させる必要はないが、切り戻し方向にも戻らなくなる。そのため、操舵トルクセンサ８の信号を監視し、運転者の操舵トルクが所定値以下の場合にのみ角度サーボ制御から通常操舵反力制御へ移行することにより、角度サーボ制御の継続に伴う引っ掛かり感が発生せず、滑らかに制御の切り替えを行うことができる。

また、角度サーボ制御から通常操舵反力制御へ移行した直後は、操舵反力をあらかじめ設定された所定の大きさの操舵反力とすることにより、制御移行時にトルクの不連続感が出ることなく、全体として違和感の無い制御の移行が確保できる。

［従来の操舵反力制御の問題点］
ステアリングホイールと舵取り機構とが機械的に連結された従来の車両では、転舵の状態を、ステアリングコラムシャフトを通じ運転者が感じ取ることができる。このとき、操舵系のフリクション等を無視すれば、操舵角（または転舵角）と操舵トルクとの関係は、一般的に図３のような角度−トルク特性図で表すことができる。

ここで、ロック角度と呼ばれるストッパ位置に操舵角が達したとき、メカニカルストッパにより、ステアリングホイールを切り増し方向へ操舵しようとした場合には、急激にロックトルクが立ち上がる（ａ）。一方、切り戻し方向への操舵は、滑らかに不連続無く、元のラインに戻る。

しかし、ステアリングホイールと舵取り機構とが機械的に切り離されたステア・バイ・ワイヤシステムでは、転舵の状態を運転者へ知らせるために、操舵反力アクチュエータを用いて上述のロック感を模擬する必要がある。よって、従来の車両用操舵装置では、操舵角がロック角度に到達したとき、操舵反力アクチュエータのモータに大電流を与えることにより、ロックトルクを再現している。

ところが、運転者の操舵トルクにはばらつきがあるため、ロック角度で一律に最大電流により操舵反力トルクを発生させる従来技術では、運転者の操舵トルクが操舵反力トルクよりも小さくなる現象が発生した場合、ロック角度で運転者の手が押し戻されるという問題がある（図４）。

また、運転者の操舵トルクにかかわらず、常に最大電流により操舵反力トルクを与えるといった開ループ制御によりロック感を再現しているため、ロック角度付近で操舵反力トルクを鈍らせるなど、操舵トルクの急変を抑制する処理が必要となり、ロック角度付近で操舵フィーリングが悪化するという問題がある。

［角度サーボ制御作用］
これに対し、実施例１の車両用操舵装置では、操舵角がロック角度に到達したとき、通常操舵反力制御から角度サーボ制御に移行することにより、操舵トルクと操舵反力トルクとの不釣り合い防止と、しっかりとした硬いロック感の再現とを両立している。

図５は、実施例１の角度サーボ制御作用を示すタイムチャートであり、(a)は操舵角の時系列応答、(b)は操舵トルクセンサ値の時系列応答、(c)は操舵反力アクチュエータ７のモータ電流値の時系列応答ある。これら時系列応答では、大きく分けて下記の５つの領域I〜Vに分割できる。

I…転舵の状態を模擬反力で感じながら操舵する通常操舵反力制御領域である。
II…ロック角度を越え、制御が角度サーボ制御に切り替わったときの領域である。
III…ロック角度で切り増し方向に運転者が操舵トルクを入れている領域である。
IV…運転者がトルクを抜いた場合となり、角度サーボ制御から通常操舵反力制御に移行していく領域である。
V…通常操舵反力制御に戻り、転舵の状態を模擬反力で感じながら操舵する領域である。

図５において、実線は実施例１であり、波線は、実施例１の比較例として、開ループ制御のみで最大電流を用いてロック感を再現する従来例である。

Iの領域において、操舵角が増えると（２１）、目標となる操舵反力トルクが増える（２２）。ここでは、開ループ制御のため、電流値は目標となる操舵反力トルクをトルク定数で割ったものとして求まる。よって、操舵角が増えるにつれてトルクセンサ値も電流値も増加していく（２３）。

ここで、従来のように操舵反力アクチュエータが発生できる最大反力により操舵反力トルクを急変させるシステムでは、運転者によっては手が押し戻されるおそれがあるため、ロック角度の手前からトルクを徐々に増大させて行くような操作（２４，２５）を行った場合には、ばね定数を変えたようなフィーリングとなってしまい、良い反力ロック感を与えられない。

これに対し、実施例１では、ロック角度（２６）を越えたことを検知した後、通常操舵反力制御から角度サーボ制御に切り替わる。このとき、開ループ制御でロック反力を発生する場合と異なり、電流がそのロック角度に固定させるように流れるため、トルクの急変は感じるが、回転によるトルク発生を抑える方向となるため、手を押し戻されることが無い。この角度サーボ制御は、目標となる角度（ここではロック角度）との偏差ｅ（２７）が所定値以内となるまで継続することにより、一方向の電流印加による回転を抑えることができ、硬い反力ロック感を得ることが可能となる。

ロック時に切り増し方向に一定のトルクを入れている場合には、IIIの領域となる。ここでは、この状態を保っていれば、操舵角、トルクセンサ値および電流値共に一定の値を示す（２８，２９，３０）。ただし、この状態では、切り戻し方向も角度サーボ制御されているため、実際にはステアリングホイール１にロックがかかっている状態となっている。

IVの領域では、運転者が操舵トルクを抜いたことを検知して、トルクセンサの値が設定した所定のトルク値（３１）よりも下がったかどうかにより通常操舵反力制御に再び切り替える場合を示している。このとき操舵角を動かすよりも、トルクの抜けを検知する方が早いため、結果的に角度は直線にて補完されることになる（３２）。こうすることで、上記で示した切り戻し方向の位置制御が引っ掛かり無く解除される。

また、制御の切り替えの際、その目標となるトルク値が判っているため、その値を維持できる電流を流すようにし、操舵反力をモータにより発生させる（３３）。こうすることにより、操舵トルクの連続性も確保でき、滑らかなロック感との切り替えを行うことができる。

Vの領域では、再び通常操舵反力制御を実施することで、ステアリングホイール１の操作を行う。Vの状態から再び切り増し、ロック角度を越えるとIの領域へ移り、再び反力ロック制御のロジックに移行する。

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、下記に列挙する効果が得られる。

(1) 操向輪９，９を転舵させる舵取り機構２と機械的に切り離されたステアリングホイール１と、このステアリングホイール１に操舵反力を発生させる操舵反力アクチュエータ７と、この操舵反力アクチュエータ７の操舵反力を制御する操舵制御コントロールユニット４と、を有する車両用操舵装置において、ステアリングホイール１の操舵角を検出する操舵角センサ３を設け、操舵制御コントローラ４は、操舵角が操向輪９，９の限界転舵角に対応する操舵角であるロック角度に到達したとき、操舵角がロック角度を超えないロック角度近傍の所定操舵角と一致するように操舵反力を制御する角度サーボ制御を実施するため、運転者の操舵トルクと操舵反力トルクとの不釣り合いを発生させることなく、しっかりとした硬いロック感を再現できる。

(2) 操舵制御コントロールユニット４は、操舵角と所定操舵角との偏差が所定値以下となるまで角度サーボ制御を継続するため、従来のように運転者の手が押し戻されてしまうのを回避できる。

(3) ステアリングホイール１の操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ８を設け、操舵制御コントロールユニット４は、操舵トルクが所定値以下となったとき、角度サーボ制御を解除するため、角度サーボ制御の継続に伴う引っ掛かり感が発生せず、滑らかに制御の切り替えを行うことができる。

(4) 操舵制御コントロールユニット４は、角度サーボ制御を解除し通常操舵反力制御に移行したとき、あらかじめ設定された所定の大きさの操舵反力を出力させるため、制御移行時にトルクの不連続感が出ることなく、全体として違和感の無い制御の移行が確保できる。

（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では、操舵角とロック角度との偏差ｅが所定値以下のとき、角度サーボ制御から通常操舵反力制御へ移行する例を示したが、偏差ｅの継続時間により判定しても構わない。さらに、角度サーボ制御を制御開始から所定時間継続した場合でも、同様の効果を得ることができる。

実施例１では、通常操舵反力制御として開ループ制御を実施する例を示したが、閉ループ制御でも良い。また、実施例１では、操舵トルクが大きくなるほど操舵反力を大きくしたが、操舵角が大きくなるほど操舵反力を大きくしても良い。

フェールセーフのために、実施例１のステア・バイ・ワイヤシステムに、ステアリングホイールと舵取り機構を機械的に連結するクラッチ等のバックアップ手段を設けても良い。また、センサ系、アクチュエータおよびコントロールユニットを多重としても良い。

実施例１の車両用操舵装置が適用されたステア・バイ・ワイヤシステムを示す全体構成図である。 実施例１装置の操舵制御コントロールユニット１０で実行される操舵反力制御処理の流れを示すフローチャートである。 角度−トルク特性図である。 従来のロック角度における開ループ制御に伴い、運転者の手がはじかれる際のメカニズムを示す説明図である。 実施例１の角度サーボ制御作用を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ ステアリングホイール１
２ 舵取り機構
３ 操舵角センサ
４ 操舵制御コントロールユニット
５ 転舵角センサ
６ 転舵アクチュエータ
７ 操舵反力アクチュエータ
８ トルクセンサ
９ 操向輪
１０ コラムシャフト
１１ ピニオンシャフト
１２ 車速センサ

Claims (4)

1. 操向輪を転舵させる舵取り機構と機械的に切り離された操作入力手段と、
   この操作入力手段に操舵反力を発生させる操舵反力アクチュエータと、
   この操舵反力アクチュエータの操舵反力を制御する操舵反力制御手段と、
   を有する車両用操舵装置において
   前記操作入力手段の操舵角を検出する操舵角検出手段を設け、
   前記操舵反力制御手段は、前記操舵角が前記操向輪の限界転舵角に対応する操舵角であるロック角度に到達したとき、前記操舵角がこのロック角度を越えないロック角度近傍の所定操舵角と一致するように前記操舵反力アクチュエータを制御する角度サーボ制御を実施することを特徴とする車両用操舵装置。
2. 請求項１に記載の車両用操舵装置において、
   前記操舵反力制御手段は、操舵角と前記所定操舵角との偏差が所定値以下となるまで前記角度サーボ制御を継続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、
   前記操作入力手段の操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段を設け、
   前記操舵反力制御手段は、前記操舵トルクが所定値以下となったとき、前記角度サーボ制御を解除することを特徴とする車両用操舵装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の車両用操舵装置において、
   前記操舵反力制御手段は、前記角度サーボ制御を解除したとき、あらかじめ設定された所定の大きさの操舵反力を出力させることを特徴とする車両用操舵装置。

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