JP4400738B2

JP4400738B2 - ４輪操舵車両用操舵装置

Info

Publication number: JP4400738B2
Application number: JP2004268027A
Authority: JP
Inventors: 友保嘉田; 史郎中野; 正美仲; 雅也瀬川
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2004-09-15
Filing date: 2004-09-15
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2024-09-15
Also published as: JP2006082638A

Description

本発明は、４輪操舵車両の操舵時における挙動の安定化を図るのに適した４輪操舵車両用操舵装置に関する。

従来の４輪操舵車両においては、前輪実舵角はドライバーの意思によるステアリングホイールの操舵に応じて変化し、後輪実舵角のみをステアリングホイールの操舵角に応じて後輪操舵用アクチュエータを制御することで変化させ、車両挙動の安定化が図られていた。また、前輪実舵角を変化させることで車両挙動の安定化を図る車両用操舵装置として、舵角変化に基づく車両の挙動変化に応じて変化するヨーレートや横加速度といった挙動指標値を検出し、ドライバーによる操作量に応じて求めた目標挙動指標値と検出した挙動指標値との偏差に応じて前輪操舵用アクチュエータを制御することが提案されている（特許文献１参照）。
特開２００１−１９１９３７号公報

４輪操舵車両において後輪操舵用アクチュエータのみを制御して車両挙動の安定化を図る従来技術においては、車両挙動に大きく影響する前輪実舵角をドライバーの意思に反して変化させることができず、安定化させることができる車両挙動の変化範囲が狭くなる。４輪操舵車両において後輪操舵用アクチュエータのみを制御することで車両挙動の安定化を図る従来技術に、前輪操舵用アクチュエータを制御することで車両挙動の安定化を図る従来技術を単に付加するだけでは、前輪舵角の変化による車両挙動の安定化と後輪舵角の変化による車両挙動の安定化とが互いに独立してなされるため、車両全体としては安定化を図ることができない。
また、従来の後輪操舵用アクチュエータはステアリングホイールの操舵角に応じて制御されるため、ステアリングホイールから前輪までの間における操舵トルク伝達機構のガタや操舵トルクによる変形により、制御の遅れが生じ、車両挙動を迅速に安定化することができない。
さらに、前輪と路面との間の摩擦係数が後輪と路面との間の摩擦係数と相違するような場合を従来は何ら考慮しておらず、十分に車両挙動の安定化を図ることができない。
本発明は、上記課題を解決することのできる４輪操舵車両用操舵装置を提供することを目的とする。

本発明の４輪操舵車両用操舵装置は、前輪操舵用アクチュエータと、前記前輪操舵用アクチュエータの動きを前輪実舵角が変化するように前輪に伝達する前輪側伝動機構と、後輪操舵用アクチュエータと、前記後輪操舵用アクチュエータの動きを後輪実舵角が変化するように後輪に伝達する後輪側伝動機構と、ステアリングホイールの操作量の検出部と、前輪実舵角と後輪実舵角の中の少なくとも一方の変化に基づく車両の挙動変化に応じて変化する挙動指標値の検出部と、前記挙動指標値を変化させる挙動変化条件値の検出部と、ステアリングホイールの操作量と、挙動指標値と、挙動変化条件値と、前輪目標舵角と、後輪目標舵角との間の予め定めた関係を含む制御モデルを記憶する記憶部と、検出された操作量と、検出された挙動指標値と、検出された挙動変化条件値と、記憶された制御モデルとに基づき、前輪目標舵角と後輪目標舵角を演算する演算部と、演算された前輪目標舵角に前輪実舵角が対応し、演算された後輪目標舵角に後輪実舵角が対応するように、前記前輪操舵用アクチュエータと前記後輪操舵用アクチュエータを制御する制御装置とを備える。
本発明によれば、ステアリングホイールの操作量と、挙動指標値と、挙動変化条件値と、前輪目標舵角と、後輪目標舵角との間の予め定めた関係を含む一つの制御モデルを用いて前輪目標舵角と後輪目標舵角を求めることで、全体として車両挙動が安定化されるように前輪操舵用アクチュエータと後輪操舵用アクチュエータを統合制御できる。

前記挙動変化条件値として前輪実舵角を含み、検出された前輪実舵角に応じて前記演算部による前輪目標舵角と後輪目標舵角の演算値が変化するように、前記制御モデルに含まれる関係が定められているのが好ましい。前輪操舵用アクチュエータと後輪操舵用アクチュエータをステアリングホイールの操舵角に応じて制御することでドライバーの意思を反映できると共に、前輪実舵角に応じて制御することで制御の遅れをを防止して車両挙動を迅速に安定化することができる。

舵角変化時における車両挙動に大きく影響する車輪横滑り角はコーナリングフォースに応じて変化し、コーナリングフォースは車輪垂直荷重に応じて変化すると共に車輪と路面との間の摩擦係数に応じて変化し、前輪垂直荷重と後輪垂直荷重は前輪と後輪の制駆動力の変化に応じて変化する。よって、前記挙動変化条件値として、前輪制駆動力と、後輪制駆動力と、前輪と路面との間の前輪側摩擦係数と、後輪と路面との間の後輪側摩擦係数とを含み、検出された前輪制駆動力、後輪制駆動力、前輪側摩擦係数、および後輪側摩擦係数に応じて前記演算部による前輪目標舵角と後輪目標舵角の演算値が変化するように、前記制御モデルに含まれる関係が定められているのが好ましい。これにより、前輪と後輪の制駆動力の変化による前輪荷重と後輪荷重の変化や、路面状態の変化による前輪と路面との間の摩擦係数と後輪と路面との間の摩擦係数の相違に応じて、前輪目標舵角と後輪目標舵角を変化させ、前輪操舵用アクチュエータと後輪操舵用アクチュエータを車両挙動が安定するように制御することができる。

前記制御モデルに含まれる関係は、ステアリングホイールの操作量と、挙動指標値と、挙動変化条件値とから、前輪舵角設定値と後輪舵角設定値と目標挙動指標値とが求められ、その求めた目標挙動指標値から検出された挙動指標値を差し引いた偏差から前輪舵角修正値と後輪舵角修正値とが求められ、その求めた前輪舵角設定値と前輪舵角修正値との和として前輪目標舵角が求められ、その求めた後輪舵角設定値と後輪舵角修正値との和として後輪目標舵角が求められるように定められているのが好ましい。前輪舵角設定値は前輪目標舵角におけるフィードフォワード項に、後輪舵角設定値は後輪目標舵角におけるフィードフォワード項に、前輪舵角修正値は前輪目標舵角におけるフィードバック項に、後輪舵角修正値は後輪目標舵角におけるフィードバック項にそれぞれ対応することから、フィードフォワード制御とフィードバック制御の組み合わせにより制御の応答性の向上と車両挙動の安定化を図ることができる。

本発明の４輪操舵車両用操舵装置によれば、車両挙動の変化が大きい場合や前輪と路面との間の摩擦係数が後輪と路面との間の摩擦係数と相違する場合にも迅速に車両挙動を安定化させることができる。

図１に示す４輪操舵車両用操舵装置は、ステアリングホイール１と前輪操舵用アクチュエータ２Ｆにより前輪用ステアリングギヤ３Ｆ（前輪側伝動機構）を介して前輪４Ｆの実舵角を変化させ、後輪操舵用アクチュエータ２Ｒにより後輪用ステアリングギヤ３Ｒ（後輪側伝動機構）を介して後輪４Ｒの実舵角を変化させる。

前輪用ステアリングギヤ３Ｆは、ステアリングホイール１にステアリングシャフト５を介して連結されるピニオン６と、ピニオン６に噛み合うラック歯７ａが形成された前輪用ステアリングロッド７Ｆを有する。ステアリングホイール１の操舵によるピニオン６の回転はステアリングロッド７Ｆの直線運動に変換される。さらに前輪用ステアリングギヤ３Ｆは、前輪操舵用アクチュエータ２Ｆの動きをステアリングロッド７Ｆの直線運動に変換する運動変換機構３Ｆ′を有する。前輪操舵用アクチュエータ２Ｆは、例えば公知のブラシレスモータ等の電動モータにより構成される。運動変換機構３Ｆ′は、例えば前輪操舵用アクチュエータ２の出力軸により駆動されるボールナットをステアリングロッド７Ｆの外周に一体成形されるボールスクリューにボールを介してねじ合わせることで構成されるボールスクリュー機構とされる。ステアリングロッド７Ｆの動きは、タイロッド８Ｆとナックルアーム９Ｆを介して前輪４Ｆに伝達される。これにより前輪用ステアリングギヤ３Ｆは、ステアリングホイール１の回転と前輪操舵用アクチュエータ２Ｆの動きを前輪実舵角が変化するように左右前輪４Ｆに伝達する。

後輪用ステアリングギヤ３Ｒは、後輪操舵用アクチュエータ２Ｒの動きを後輪用ステアリングロッド７Ｒの直線運動に変換する運動変換機構３Ｒ′を有する。後輪操舵用アクチュエータ２Ｒは、例えば公知のブラシレスモータ等の電動モータにより構成される。運動変換機構３Ｒ′は、例えば後輪操舵用アクチュエータ２の出力軸により駆動されるボールナットをステアリングロッド７Ｒの外周に一体成形されるボールスクリューにボールを介してねじ合わせることで構成されるボールスクリュー機構とされる。ステアリングロッド７Ｒの動きは、タイロッド８Ｒとナックルアーム９Ｒを介して後輪４Ｒに伝達される。これにより後輪用ステアリングギヤ３Ｒは、後輪操舵用アクチュエータ２Ｒの動きを後輪実舵角が変化するように左右後輪４Ｒに伝達する。

ステアリングホイール１の操作量として、ステアリングシャフト５の回転角に対応する操作角δ_Hを検出する角度センサ１１が設けられている。前輪実舵角δ_Fとして前輪用ステアリングロッド７Ｆの作動量を検出する舵角センサ１３Ｆと、後輪実舵角δ_Rとして後輪用ステアリングロッド７Ｒの作動量を検出する舵角センサ１３Ｒとが設けられている。舵角センサ１３Ｆ、１３Ｒは例えばポテンショメータにより構成される。角度センサ１１と舵角センサ１３Ｆ、１３Ｒは操舵系制御装置２０に接続される。制御装置２０に、車速Ｖを検出する速度センサ１４、車両の前後方向加速度Ｇ_Xを検出する前後方向加速度センサ１５ａ、車両の横加速度Ｇ_Yを検出する横加速度センサ１５ｂ、車両のヨーレートγを検出するヨーレートセンサ１６、及び走行系制御装置６０が接続されている。制御装置２０は、駆動回路２２Ｆ、２２Ｒを介して操舵用アクチュエータ２Ｆ、２Ｒを制御する。走行系制御装置６０は、前輪４Ｆの駆動力または制動力である前輪制駆動力Ｔ_F、後輪４Ｒの駆動力または制動力である後輪制駆動力Ｔ_R、前輪４Ｆと路面との間の前輪側摩擦係数μ_F、後輪４Ｒと路面との間の後輪側摩擦係数μ_Rを、例えばエンジン出力トルク、エンジンから前後輪４Ｆ、４Ｒそれぞれまでのギヤ比、前後輪４Ｆ、４Ｒそれぞれの制動圧、前後輪４Ｆ、４Ｒそれぞれの回転速度、車輪径等のセンサ検出値や設定値から演算することで検出し、操舵系制御装置２０に伝送する。

本実施形態では、ヨーレートγ、横加速度Ｇ_Y、前後方向加速度Ｇ_Xが、前輪実舵角δ_Fと後輪実舵角δ_Rの中の少なくとも一方の変化に基づく車両の挙動変化に応じて変化する挙動指標値とされている。また、車速Ｖ、前輪実舵角δ_F、後輪実舵角δ_R、前輪制駆動力Ｔ_F、後輪制駆動力Ｔ_R、前輪側摩擦係数μ_F、後輪側摩擦係数μ_Rが挙動指標値を変化させる挙動変化条件値とされている。

操舵系制御装置２０は記憶部２０Ａと演算部２０Ｂを含む。記憶部２０Ａは、操作角δ_H、ヨーレートγ、横加速度Ｇ_Y、前後方向加速度Ｇ_X、車速Ｖ、前輪実舵角δ_F、後輪実舵角δ_R、前輪制駆動力Ｔ_F、後輪制駆動力Ｔ_R、前輪側摩擦係数μ_F、後輪側摩擦係数μ_R、前輪目標舵角δ_F ^*、後輪目標舵角δ_R ^*の間の予め定めた関係を含む制御モデルを記憶する。演算部２０Ｂは、検出された操作角δ_H、検出されたヨーレートγ、検出された横加速度Ｇ_Y、検出された前後方向加速度Ｇ_X、検出された車速Ｖ、検出された前輪実舵角δ_F、検出された後輪実舵角δ_R、検出された前輪制駆動力Ｔ_F、検出された後輪制駆動力Ｔ_R、検出された前輪側摩擦係数μ_F、検出された後輪側摩擦係数μ_R、および記憶された制御モデルに基づき、前輪目標舵角δ_F ^*と後輪目標舵角δ_R ^*を演算する。

図２は、操舵系制御装置２０による各操舵用アクチュエータ２Ｆ、２Ｒの制御ブロック図を示し、フィードフォワード制御演算部２０ａとフィードバック制御演算部２０ｂを有する。フィードフォワード制御演算部２０ａにおいては、操作角δ_H、ヨーレートγ、横加速度Ｇ_Y、前後方向加速度Ｇ_X、車速Ｖ、前輪実舵角δ_F、後輪実舵角δ_R、前輪制駆動力Ｔ_F、後輪制駆動力Ｔ_R、前輪側摩擦係数μ_F、後輪側摩擦係数μ_Rの検出値から、前輪舵角設定値δ_FFと後輪舵角設定値δ_RFと目標ヨーレートγ^*とが求められる。フィードバック制御演算部２０ｂにおいては、その求めた目標ヨーレートγ^*から検出されたヨーレートγを差し引いた偏差から前輪舵角修正値δ_FBと後輪舵角修正値δ_RBとが求められる。前輪用加算部２０ｃにおいて求めた前輪舵角設定値δ_FFと前輪舵角修正値δ_FBとの和として前輪目標舵角δ_F ^*が求められ、後輪用加算部２０ｄにおいて求めた後輪舵角設定値δ_RFと後輪舵角修正値δ_RBとの和として後輪目標舵角δ_R ^*が求められる。すなわち、演算部２０Ｂによる前輪目標舵角δ_F ^*と後輪目標舵角δ_R ^*の演算値が、前輪実舵角δ_F、後輪実舵角δ_R、前輪制駆動力Ｔ_F、後輪制駆動力Ｔ_R、前輪側摩擦係数μ_F、および後輪側摩擦係数μ_Rの検出値に応じて変化するように、上記制御モデルに含まれる関係が定められている。

そして操舵系制御装置２０は、演算された前輪目標舵角δ_F ^*に前輪実舵角δ_Fが対応し、演算された後輪目標舵角δ_R ^*に後輪実舵角δ_Rが対応するように、前輪操舵用アクチュエータ２Ｆと後輪操舵用アクチュエータ２Ｒを制御する。すなわち、偏差演算部２０ｅにおいて演算される前輪目標舵角δ_F ^*と前輪実舵角δ_Fとの偏差に対応する前輪操舵用アクチュエータ２Ｆの目標駆動電流ｉ_F ^*が前輪側モータ制御部２０ｆにおいて演算され、その目標駆動電流ｉ_F ^*に対応するモータ電流が通電されるように前輪側駆動回路２２Ｆが前輪操舵用アクチュエータ２Ｆを駆動する。また、偏差演算部２０ｇにおいて演算される後輪目標舵角δ_R ^*と後輪実舵角δ_Rとの偏差に対応する後輪操舵用アクチュエータ２Ｒの目標駆動電流ｉ_R ^*が後輪側モータ制御部２０ｈにおいて演算され、その目標駆動電流ｉ_R ^*に対応するモータ電流が通電されるように後輪側駆動回路２２Ｒが後輪操舵用アクチュエータ２Ｒを駆動する。これにより前輪実舵角δ_Fと後輪実舵角δ_Rの変化に応じて車両１００の挙動が変化する。なお、各モータ制御部２０ｆ、２０ｈにおいては、例えばＰＩ制御が行われるように各目標駆動電流ｉ_F ^*、ｉ_R ^*の演算が行われる。

上記実施形態によれば、ステアリングホイール１の操作量と、挙動指標値であるヨーレートγ、横加速度Ｇ_Y、前後方向加速度Ｇ_Xと、挙動変化条件値である車速Ｖ、前輪実舵角δ_F、後輪実舵角δ_R、前輪制駆動力Ｔ_F、後輪制駆動力Ｔ_R、前輪側摩擦係数μ_F、後輪側摩擦係数μ_Rと、目標挙動指標値である目標ヨーレートγ^*と、前輪目標舵角δ_F ^*と、後輪目標舵角δ_R ^*との間の予め定めた関係を含む一つの制御モデルを用いて前輪目標舵角δ_F ^*と後輪目標舵角δ_R ^*を求めることで、全体として車両１００が安定化されるように前輪操舵用アクチュエータ２Ｆと後輪操舵用アクチュエータ２Ｒを統合制御できる。前輪操舵用アクチュエータ２Ｆと後輪操舵用アクチュエータ２Ｒをステアリングホイール１の操作角δ_Hに応じて制御することでドライバーの意思を反映できると共に、前輪実舵角δ_Fに応じて制御することで制御の遅れをを防止して車両挙動を迅速に安定化することができる。また、前輪４Ｆと後輪４Ｒの制駆動力Ｔ_F、Ｔ_Rの変化による前輪荷重と後輪荷重の変化や、路面状態の変化による前輪４Ｆと路面との間の摩擦係数μ_Fと後輪４Ｒと路面との間の摩擦係数μ_Rの相違に応じて、前輪目標舵角δ_F ^*と後輪目標舵角δ_R ^*を変化させ、前輪操舵用アクチュエータ２Ｆと後輪操舵用アクチュエータ２Ｒを車両挙動が安定するように制御することができる。さらに、前輪舵角設定値δ_FFは前輪目標舵角δ_F ^*におけるフィードフォワード項に、後輪舵角設定値δ_RFは後輪目標舵角δ_R ^*におけるフィードフォワード項に、前輪舵角修正値δ_FBは前輪目標舵角δ_F ^*におけるフィードバック項に、後輪舵角修正値δ_RBは後輪目標舵角δ_R ^*におけるフィードバック項にそれぞれ対応することから、フィードフォワード制御とフィードバック制御の組み合わせにより制御の応答性の向上と車両挙動の安定化を図ることができる。

本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、目標挙動指標値は目標ヨーレートに限定されず、目標横加速度としてもよいし、ヨーレート成分と横加速度成分の和として求められる値の目標値であってもよい。また、ステアリングホイールを車輪に機械的に連結することなくステアリングホイールの操作に応じて駆動される前輪操舵用アクチュエータの動きを舵角が変化するように前輪に伝達できる所謂ステアバイワイヤシステムを採用した車両や、ステアリングホイールと車輪とをステアリングホイールの操作角と前輪舵角との比を変更可能に機械的に連結する機構を備えた車両にも本発明を適用できる。

本発明の実施形態の４輪操舵車両用操舵装置の構成説明図本発明の実施形態の４輪操舵車両用操舵装置における制御構成を示すブロック線図

符号の説明

１ステアリングホイール
２Ｆ前輪操舵用アクチュエータ
２Ｒ後輪操舵用アクチュエータ
３Ｆ前輪用ステアリングギヤ（前輪側伝動機構）
３Ｒ後輪用ステアリングギヤ（後輪側伝動機構）
４Ｆ前輪
４Ｒ後輪
１１角度センサ（操作量の検出部）
１３Ｆ、１３Ｒ舵角センサ
１４速度センサ（挙動変化条件値の検出部）
１５ａ前後方向加速度センサ（挙動指標値の検出部）
１５ｂ横加速度センサ（挙動指標値の検出部）
１６ヨーレートセンサ（挙動指標値の検出部）
２０操舵系制御装置（記憶部、演算部）
６０走行系制御装置（挙動変化条件値の検出部）
１００車両

Claims

前輪操舵用アクチュエータと、
前記前輪操舵用アクチュエータの動きを前輪実舵角が変化するように前輪に伝達する前輪側伝動機構と、
後輪操舵用アクチュエータと、
前記後輪操舵用アクチュエータの動きを後輪実舵角が変化するように後輪に伝達する後輪側伝動機構と、
ステアリングホイールの操作量の検出部と、
前輪実舵角と後輪実舵角の中の少なくとも一方の変化に基づく車両の挙動変化に応じて変化する挙動指標値の検出部と、
前記挙動指標値を変化させる挙動変化条件値の検出部と、
ステアリングホイールの操作量と、挙動指標値と、挙動変化条件値と、前輪目標舵角と、後輪目標舵角との間の予め定めた関係を含む制御モデルを記憶する記憶部と、
検出された操作量と、検出された挙動指標値と、検出された挙動変化条件値と、記憶された制御モデルとに基づき、前輪目標舵角と後輪目標舵角を演算する演算部と、
演算された前輪目標舵角に前輪実舵角が対応し、演算された後輪目標舵角に後輪実舵角が対応するように、前記前輪操舵用アクチュエータと前記後輪操舵用アクチュエータを制御する制御装置とを備える４輪操舵車両用操舵装置。
前記挙動変化条件値として前輪実舵角を含み、
検出された前輪実舵角に応じて前記演算部による前輪目標舵角と後輪目標舵角の演算値が変化するように、前記制御モデルに含まれる関係が定められている請求項１に記載の４輪操舵車両用操舵装置。
前記挙動変化条件値として、前輪制駆動力と、後輪制駆動力と、前輪と路面との間の前輪側摩擦係数と、後輪と路面との間の後輪側摩擦係数とを含み、
検出された前輪制駆動力、後輪制駆動力、前輪側摩擦係数、および後輪側摩擦係数に応じて前記演算部による前輪目標舵角と後輪目標舵角の演算値が変化するように、前記制御モデルに含まれる関係が定められている請求項１または２に記載の４輪操舵車両用操舵装置。
前記制御モデルに含まれる関係は、ステアリングホイールの操作量と、挙動指標値と、挙動変化条件値とから、前輪舵角設定値と後輪舵角設定値と目標挙動指標値とが求められ、その求めた目標挙動指標値から検出された挙動指標値を差し引いた偏差から前輪舵角修正値と後輪舵角修正値とが求められ、その求めた前輪舵角設定値と前輪舵角修正値との和として前輪目標舵角が求められ、その求めた後輪舵角設定値と後輪舵角修正値との和として後輪目標舵角が求められるように定められている請求項１〜３の中の何れかに記載の４輪操舵車両用操舵装置。